重型車車架輕量化設(shè)計(jì)研究

楊　波，何　俊

（長(zhǎng)沙中聯(lián)恒通機(jī)械有限公司，湖南長(zhǎng)沙　410000）

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重型車車架輕量化設(shè)計(jì)研究

楊波，何俊

（長(zhǎng)沙中聯(lián)恒通機(jī)械有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000）

摘要：利用Hyperworks軟件平臺(tái)，建立車架的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析。然后以此為基礎(chǔ)對(duì)車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，以車架橫縱梁的厚度作為設(shè)計(jì)變量，車架總質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化迭代得到結(jié)構(gòu)尺寸最優(yōu)的車架。通過優(yōu)化迭代計(jì)算，新車架的總質(zhì)量減少了22.9%，通過優(yōu)化前后性能的對(duì)比分析，優(yōu)化后結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：車架；有限元分析；尺寸優(yōu)化；輕量化

作為載貨汽車的重要部分，車架對(duì)整車的安全性和操控性等起著非常重要的作用。車架承載著汽車本身各部件質(zhì)量,同時(shí)車架通過車輪與地面連接傳遞各種從地面?zhèn)鱽淼膹?fù)雜載荷，所以車架必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。除此以外，輕量化設(shè)計(jì)不僅能滿足節(jié)能減排的發(fā)展需要,更能降低制造成本。本文以我國(guó)某重型貨車的車架為研究對(duì)象，以車架各部件的厚度作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。利用有限元方法分析該車架的強(qiáng)度和剛度，并以此為依據(jù)對(duì)該車架進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，在滿足剛度和強(qiáng)度的要求下達(dá)到減重要求。車架基本幾何形狀已經(jīng)定型，該車型已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。

1　建立模型

圖1　重型貨車車架模型

該車架是由兩根主梁和七根橫梁組成，兩者鉚接或焊接連接成薄壁梁結(jié)構(gòu)。建立模型時(shí)，為提高計(jì)算效率，一些非承載件和非功能件對(duì)車架強(qiáng)度和剛度沒有影響可略去處理。有限元模擬時(shí)，車架梁結(jié)構(gòu)采用殼單元來模擬。首先利用Hyperworks軟件對(duì)車架進(jìn)行處理，其次抽取車架梁結(jié)構(gòu)的中面并賦予厚度值，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。橫梁和縱梁材質(zhì)為B550L型鋼。重型貨車車架模型如圖1所示。

對(duì)車架進(jìn)行有限元分析時(shí)，主要分析滿載時(shí)的工況，貨箱及貨物的重量共142145N均勻分布在縱梁相應(yīng)位置。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車架基本性能，主要分析滿載時(shí)車架在彎曲工況和彎扭工況下的強(qiáng)度和應(yīng)力情況。

2　車架強(qiáng)度計(jì)算

利用Hypermesh軟對(duì)車架分別在彎曲工況和彎扭工況下對(duì)該車架進(jìn)行有限元分析計(jì)算，最后得到車架的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，以此為依據(jù)分析車架的基本性能。在彎曲工況下，以表1中約束條件對(duì)車架進(jìn)行約束，計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　彎曲工況下車架的位移

圖3　彎曲工況下應(yīng)力云圖

從圖2、圖3可以得出在彎曲工況下車架的最大彎曲變形0.419mm，最大應(yīng)力73.7MPa，主要位移橫梁和縱梁的連接處。由此可知在彎曲工況下，車架的強(qiáng)度和剛度完全符合要求，而且還有很大的優(yōu)化空間。在彎扭工況下的位移如圖4，圖5所示。

圖4　彎扭工況下車架位移

圖5　彎扭工況下車架應(yīng)力

彎扭工況下通過對(duì)車架其中一個(gè)懸架做懸空處理，通過分析得到車架的最大位移為10.1mm，最大應(yīng)力為186.2MPa。經(jīng)對(duì)車架的有限元分析，可以知道該車架采用了過量設(shè)計(jì)，其強(qiáng)度和剛度性能均有很大的優(yōu)化空間，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來減輕該車架的質(zhì)量，同時(shí)還能保證其基本性能。

3　車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本三要素包括目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量以及約束條件，其中設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過程使其發(fā)生改變來改變性能的參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化過程中的所要求的最佳性能，約束條件是對(duì)優(yōu)化過程性能的約束和限制以及其他性能要求。以車架各梁的厚度作為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)優(yōu)化目標(biāo)位車架的總質(zhì)量達(dá)到最小，以彎曲工況和彎扭工況下的最大應(yīng)力和最大位移作為約束條件。該車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

其中，xn是厚度；Mmax是總質(zhì)量；σy是最大應(yīng)力；σ0是最大應(yīng)力約束值；xmin是梁最小厚度；xmax是梁最大厚度。

根據(jù)該車架選用的材料為BL550L鋼材，其屈服強(qiáng)度為400MPa，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中利用車架的最大應(yīng)力作為約束條件，且在彎曲工況和彎扭工況下的最大應(yīng)力不超過280MPa；同時(shí)對(duì)車架中的橫梁和縱梁設(shè)定上下限值，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Optistruct對(duì)該車架進(jìn)行優(yōu)化迭代運(yùn)算，最后得到各縱梁和橫梁的最優(yōu)厚度尺寸值，具體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如表1所示。

從表1中可看出，縱梁和各橫梁的厚度尺寸都達(dá)到最優(yōu)的尺寸，其中第四根橫梁的厚度經(jīng)優(yōu)化后變大。優(yōu)化的總質(zhì)量由原來的184.5kg減到優(yōu)化后的142.3kg，其質(zhì)量減少了22.9%，優(yōu)化效果非常明顯，其車架總質(zhì)量的迭代曲線如圖6所示。

表1　優(yōu)化結(jié)果

圖6　車架總質(zhì)量迭代曲線

4　優(yōu)化前后車架性能對(duì)比分析

（1）靜態(tài)分析。在存在彎扭的工況下，對(duì)減重后的車架進(jìn)行靜態(tài)分析，減重后的車架應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為222MPa，小于車架材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求；減重后的車架最大位移為12.3mm，如圖8所示，小于標(biāo)準(zhǔn)車架變形位移，滿足位移要求。各工況的位移和應(yīng)力變化如表2所示。

圖7　優(yōu)化后應(yīng)力云圖（彎扭工況）

圖8　優(yōu)化后位移云圖（彎扭工況）

表2　車架靜態(tài)性能優(yōu)化對(duì)比

表3　車架動(dòng)態(tài)特性對(duì)比

圖9　減重前第一階振型

圖10　減重后第一階振型

（2）優(yōu)化前后車架動(dòng)態(tài)特性對(duì)比分析。為評(píng)價(jià)該車架的動(dòng)態(tài)特性，以減重后的車架為基礎(chǔ)，進(jìn)行模態(tài)分析，并得到了優(yōu)化后車架的固有頻率和振型。表3所示為優(yōu)化前后的車架固有頻率及振型對(duì)比，從中可以看出減重后的頻率較減重前的頻率一到四階的都增加了，所以減重效果明顯。圖9和圖10分別為車架減重前后的第一階振型，對(duì)比兩圖可知，減重前后一階振型趨勢(shì)基本相同，所以減重后并無影響。在滿足車架生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行各梁厚度尺寸調(diào)整，并最終得到能滿足輕量化設(shè)計(jì)要求的車架尺寸。

5　結(jié)語

首先建立車架的有限元模型并進(jìn)行有限元分析可得到車架的應(yīng)力和位移變化參數(shù)。在此基礎(chǔ)上對(duì)車架進(jìn)行輕量化優(yōu)化分析，通過優(yōu)化計(jì)算使車架的總質(zhì)量減少了22.9%，優(yōu)化效果明顯，同時(shí)優(yōu)化后的車架各靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到車架各部件的優(yōu)化尺寸。

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The Research on Lightweight Design for Heavy Truck Frame

YANG Bo，HE Jun
（Changsha Zhonglian Hengtong Machinery Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410000，China）

Abstract:The Hyperworks software is used to established the finite element model，and finite element analysis is done.Then performs size optimization design for the frame based on the FEA，and chooses the frame cross beam thickness as the design variables，the minimize of the total mass as the optimization objective.Finally it obtained the optimal frame through optimizing iterative.Through the optimization calculation，the total mass of the new frame is reduced by 22.9%，and the maximum stress and displacement in appropriate conditions meet design requirements.

Key words:frame；finite element analysis；size optimization；lightweight

作者簡(jiǎn)介：楊波（1983-），男，湖北潛江人，碩士，講師，主要從事工程機(jī)械的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）01-0047-03