基于有限元的自卸車(chē)車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)

向文卓，吳亞菲，周浩

（1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.東風(fēng)越野車(chē)有限公司，湖北 十堰 442000）

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基于有限元的自卸車(chē)車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)

向文卓1，吳亞菲1，周浩2

（1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.東風(fēng)越野車(chē)有限公司，湖北 十堰 442000）

為了降低制造成本，提升自卸車(chē)性能，文章基于有限元的分析法對(duì)某自卸車(chē)的車(chē)架進(jìn)行輕量化研究。通過(guò)分析特殊工況下的應(yīng)力和位移對(duì)車(chē)架進(jìn)行了強(qiáng)度校核，再利用 HyperWorks 中的Optistruct 模塊對(duì)車(chē)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，參考優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行二次了設(shè)計(jì)。最終在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下總質(zhì)量減少了14.69%，達(dá)到了輕量化的目的。

有限元；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.023

CLC NO.: U463.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-66-04

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，自卸車(chē)的保有量越來(lái)越大。而車(chē)架作為汽車(chē)的主要部件之一，承載了汽車(chē)大部分總成的重量以及行駛時(shí)產(chǎn)生的沖擊、扭曲和慣性力等，是重要的受力部件[1]。同時(shí)自卸車(chē)由于其載貨量大的特點(diǎn)，經(jīng)常處于超載使用的情況，在設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)在車(chē)架上使用很多鋼材以提高其強(qiáng)度及剛度的安全系數(shù)，這就導(dǎo)致了材料的浪費(fèi)和企業(yè)生產(chǎn)成本的升高[2]。

由于車(chē)輛的輕量化已逐漸成為設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則之一，在自卸車(chē)車(chē)架能夠滿(mǎn)足足夠強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)，其輕量化設(shè)計(jì)往往會(huì)給企業(yè)帶來(lái)更有力的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和更可觀(guān)的利潤(rùn)[3-4]。本文以某企業(yè)自卸車(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，在保證強(qiáng)度合格的前提下最大程度上減少材料消耗，降低制造成本[5]。

1、有限元模型

1.1模型的前處理

有限元法是建立在力學(xué)模型上的近似數(shù)值方法， 其結(jié)果的近似性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是單元與單元只通過(guò)節(jié)點(diǎn)連結(jié)，力通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞；二是 每個(gè)單元上物理量的分布規(guī)律是近似假定的。基于此原則對(duì)模型進(jìn)行前處理。主要的處理方法有：

（1）對(duì)于車(chē)架縱梁及橫梁等厚度均勻的零件采用抽取中面的方法以便進(jìn)行 2D網(wǎng)格劃分。而對(duì)于吊耳等不規(guī)則零件則直接采用3D網(wǎng)格劃分。劃分完成后模型2D網(wǎng)格總數(shù)為164509，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 171069。 3D網(wǎng)格總數(shù)為203485節(jié)點(diǎn)數(shù)為88021。

（2）使用手動(dòng)創(chuàng)建螺栓的方法，將縱橫梁之間的連接全部刪除，對(duì)需連接的孔進(jìn)行補(bǔ)面并在其上劃分網(wǎng)格并保持網(wǎng)格的連接。對(duì)于某些大小不一致、投影方向不重合的孔進(jìn)行刪除重建的方法使其強(qiáng)制對(duì)齊。

（3）由于吊耳主要發(fā)揮力的傳遞作用，因此刪除全部吊耳零件，使用RBE3將吊耳中心與車(chē)架螺栓孔連接。

（4）對(duì)彈簧單元分別建立 x、 y、 z 方向的彈簧單元屬性，所賦予的剛度根據(jù)技術(shù)資料如表1 所示。 考慮到x，y方向鋼板彈簧的剛度很大， 因此對(duì)其賦予較大的數(shù)值。 z方向的剛度數(shù)值為技術(shù)資料中前后彈簧剛度的一半。

表1　彈簧單元?jiǎng)偠戎担∟/mm）

以左前輪為例，定位出左前輪心的位置坐標(biāo)，并根據(jù)吊耳的 3D 模型找出兩個(gè)卷耳的坐標(biāo)。在輪心位置節(jié)點(diǎn)分別與左吊耳位置節(jié)點(diǎn)和右吊耳位置節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建3個(gè)彈簧單元，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)方向的自由度和三個(gè)方向的剛度屬性。

1.2材料屬性

根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，該車(chē)架主要使用兩種材料。其材料屬性如表2所示。

表2　車(chē)架材料屬性

本次對(duì)車(chē)架進(jìn)行研究的主要對(duì)象是車(chē)架縱梁及橫梁，使用的材料為16Mn，屬于碳錳鋼，碳含量在0.16%左右。它具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能及低溫沖擊韌性，冷沖壓及可切削性均較好。

1.3載荷的施加

根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料以及實(shí)際情況，本文主要考慮其超載（16噸）工況下的強(qiáng)度分析，所考慮的施加在車(chē)架上的質(zhì)量如表3所示。

找出各個(gè)質(zhì)量重心，以其為非獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，以載荷施加在車(chē)架上的位置所包括的節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，建立RBE3連接。之后在相應(yīng)的載荷獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建質(zhì)量單元并賦予相應(yīng)的值。最終載荷施加情況如圖1所示。

表3　施加在車(chē)架上的載荷

2、強(qiáng)度分析

本文選取最?lèi)毫拥膹澋乐苿?dòng)工況來(lái)進(jìn)行分析。其邊界條件為：四個(gè)輪心約束x、y、z自由度，且x、y、z方向分別施加-0.6g，0.3g，-1g的重力場(chǎng)（g為重力場(chǎng)單位量）。計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2　彎道制動(dòng)位移云圖

圖3　彎道制動(dòng)應(yīng)力云圖

彎道制動(dòng)工況下車(chē)架出現(xiàn)了彎扭組合變形， 最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在車(chē)架右前縱梁的最前端，大小為256.827mm，如圖2所示；最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在第五前橫梁右端與縱梁連接處的孔附近，大小為382.260MPa，計(jì)算得安全系數(shù)為0.929?？梢钥闯鲈趶澋乐苿?dòng)的工況下最大應(yīng)力點(diǎn)超過(guò)了材料的屈服極限。由于本車(chē)設(shè)計(jì)載重是 5 噸，而本文是在超載至16噸的情況下進(jìn)行研究的，最大位移點(diǎn)一般都是由應(yīng)力集中造成的，因此認(rèn)為其強(qiáng)度通過(guò)校核。

3、拓?fù)鋬?yōu)化

3.1優(yōu)化方案

針對(duì)本課題的車(chē)架，其在左右橫梁分別采用了三層縱梁來(lái)保證車(chē)輛的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)上述對(duì)車(chē)架進(jìn)行的強(qiáng)度分析的結(jié)果，其縱梁的大部分工況下都沒(méi)有分布較大的應(yīng)力，因此有較大的拓?fù)鋬?yōu)化的空間。由于車(chē)架最外層的兩個(gè)橫梁將車(chē)架所有的橫縱梁進(jìn)行了連接，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化會(huì)使得部分連接失效，因此本次拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)域?yàn)檐?chē)架內(nèi)部四個(gè)加強(qiáng)橫梁。針對(duì)滿(mǎn)載（5噸），彎道制動(dòng)這一發(fā)生了彎扭組合且較為惡劣的工況作為拓?fù)鋬?yōu)化研究的子工況。

設(shè)計(jì)變量為單元密度，最小成員尺寸控制設(shè)置為32mm，目標(biāo)函數(shù)是整體的加權(quán)應(yīng)變能最小，約束函數(shù)是設(shè)計(jì)域優(yōu)化后的體積與原體積的體積比在0.2~0.8。考慮到可制造性等因素，對(duì)優(yōu)化施加了一個(gè)二平面對(duì)稱(chēng)約束，使優(yōu)化后的結(jié)果關(guān)于通過(guò)車(chē)架中心的xy、xz平面對(duì)稱(chēng)。

3.2優(yōu)化結(jié)果

選擇最后一步的迭代，利用isolate工具，使體積比大于0.3的部分被顯示，優(yōu)化結(jié)果的第二層及第三層單元密度等值面圖如圖4、圖5 所示。

圖4　第二層縱梁優(yōu)化結(jié)果單元密度等值面圖

圖5　第三層縱梁優(yōu)化結(jié)果單元密度等值面圖

從單元密度圖中可以看出，單元密度最大值為 1，表明結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)的區(qū)域密度值趨向于 1，說(shuō)明本次優(yōu)化充分，結(jié)果收斂成功。

在Hyperview中查看子工況迭代的位移及應(yīng)力結(jié)果如表4所示。優(yōu)化后的最大應(yīng)力為 229.685MPa，小于車(chē)架材料的屈服極限。

表4　拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

4、二次設(shè)計(jì)

從等值面圖中可查看到拓?fù)鋬?yōu)化之后所需保留的單元。針對(duì)此結(jié)果，進(jìn)行二次設(shè)計(jì)時(shí)考慮將等值面圖中在 x 方向顯示的長(zhǎng)度進(jìn)行保留。如圖6、圖7所示。

圖7　第三層縱梁保留部分

將二次設(shè)計(jì)的模型施加對(duì)應(yīng)的載荷和邊界條件，在彎道制動(dòng)工況下進(jìn)行靜力分析，結(jié)果如圖 8和圖9 所示。

圖8　二次設(shè)計(jì)位移圖

圖9　二次設(shè)計(jì)應(yīng)力圖

5、結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果中的.out文件查得優(yōu)化前后的質(zhì)量。總結(jié)得到計(jì)算結(jié)果表5所示。

表5　二次設(shè)計(jì)靜力計(jì)算結(jié)果

從結(jié)果可以看出，二次設(shè)計(jì)之后的模型最大應(yīng)力為238.503MPa，小于材料的屈服極限，因此本次拓?fù)鋬?yōu)化達(dá)到了在滿(mǎn)足強(qiáng)度的前提下減少材料的輕量化目的。最終將設(shè)計(jì)域材料減少至 0.1313 噸，重量減輕了0.0997噸，與原設(shè)計(jì)域相比減少比例 為 43.16%，與車(chē)架質(zhì)量（空載，0.6784 噸）相比減少比例為14.69%。注意到這次優(yōu)化減少的比例較多而二次設(shè)計(jì)之后的位移和應(yīng)力都有不同程度的增大，在之后的設(shè)計(jì)中可考慮在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾硬牧希?/p>

使得在輕量化完成的前提下盡可能的提高車(chē)架的性能。

6、結(jié)論

（1）文章完成了自卸車(chē)車(chē)架在彎道制動(dòng)工況下的強(qiáng)度校核，在超載（16噸）的情況下安全系數(shù)為0.929，達(dá)到了強(qiáng)度要求。基于校核結(jié)果對(duì)車(chē)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化并二次設(shè)計(jì)，使總質(zhì)量減少了14.69%，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

（2）本次對(duì)車(chē)架的輕量化研究只使用了拓?fù)鋬?yōu)化這一種方式，還可以結(jié)合尺寸、形貌、形狀等優(yōu)化方式使優(yōu)化結(jié)果更為完善。

[1] 王祖德.我國(guó)的專(zhuān)用汽車(chē):現(xiàn)狀·問(wèn)題·發(fā)展[J].商用汽車(chē),2001,04: 60-65

[2] 張勝蘭,嚴(yán)飛.基于HyperWorks的車(chē)架模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005,04:10-11.

[3] 谷安濤,常國(guó)振.汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)計(jì)算的有限元法.汽車(chē)技術(shù),1997, （2）:54-78.

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[5] 余傳文.重型載貨汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的有限元仿真優(yōu)化[D].吉林大學(xué),2003.

Lightweight Design of Dump Truck Frame Based on Finite Element Method

Xiang Wenzhuo1, Wu Yafei1, Zhou Hao2
（1.School of automotive engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070; 2.DFG, Hubei Shiyan 442000）

In this paper, in order to reduce manufacturing costs and improve the performance of dump truck, Finite Element Method was applied to the lightweight study of the frame of dump track. Displacement and von Mises stress of the frame are calculated which assesses the adequate strength of the frame. Then, the lightweight optimization by topology using Optistruct module in HyperWorks was executed. By reference the result of optimization, the secondary design was done. Finally, the masses reduced 14.69% and met the requirement of strength .The expected optimization result is converged.

FEM; topology optimization; Lightweight

向文卓，就讀于武漢理工大學(xué)。

U463.1

A

1671-7988 （2016）06-66-04