房車車架分析及結構優化設計

辛堯 霍佳興

摘 要：近些年來，有限元法在汽車車架方面的研究日趨成熟，有限元法已經成為汽車車架結構研究的一種重要手段，對降低生產成本、縮短研制周期、提高質量具有重要意義。傳統的優化設計主要包括尺寸優化、形狀優化、拓撲優化等方式，而近年來逐漸成熟的多目標遺傳算法和響應面法在多個學科研究中得到廣泛的應用，該方法顯示出強大的求解能力和廣泛的適應性。因此本文采用多目標遺傳算法和響應面法對房車車架進行優化設計。

關鍵詞：房車車架；結構；優化設計

1 車架有限元分析類型

1.1 靜力分析

在靜力學分析之中，對汽車車架的有限元分析通常需要計算四個基本工況，即彎曲工況、扭轉工況、制動工況以及轉彎工況，而在本課題中，由于房車車架的特殊運行特點，我們還對車架進行了臨時載人工況的分析，對以上五個工況的模擬分析，來實現本課題中拖掛式房車車架的有限元分析。通常來說，在我們完成了汽車車架有限元分析之后需要對計算分析結果做可視化處理，也就是分析結果的后處理，通過結果后處理可以得到車架的應力分布云圖以及位移分布云圖，觀察云圖結果可以找到車架在運行過程中最大應力以及最大位移位置，通過結果與使用材料比對來決定車架是否需要進行結構的優化設計。

1.2 模態分析

現如今，汽車的行駛速度越來越快，這也導致了車輛的振動、噪聲等問題在車輛性能檢測中的地位越來越高，而車架作為汽車關鍵承載部件，在汽車運行行駛過程中受到外部顛簸振動會產生彎曲或者扭轉，不僅會嚴重影響車輛乘坐的舒適性還會降低車架的使用壽命。通過對車架的模態分析可以得到車架的固有頻率以及固有振型，經過必要的分析優化，在車輛行駛過程中可以避免其發生共振。

1.3 動力響應分析

當所研究的車輛在行駛過程中，外界會產生激勵，而外界激勵的動力性能響應會對車架性能產生影響，車架動力性能響應分析就針對這種外部影響進行分析。而在動力響應分析之中，所遇到的難題有很多，比如阻尼陣的確定、路面激勵的模擬等等，這些問題也導致國內外對動力響應分析的研究進展推進緩慢。

2 車架有限元模型的建立

2.1 車架幾何模型的建立

一般來說，在實際中所分析的工程結構往往較為復雜，幾何模型與實際工程結構的差別導致的誤差要比有限元法本身的計算誤差大的多。從這個意義上來說，幾何模型的準確性對有限元計算結果的準確性有很大的影響，因此在進行車架結構有限元分析之前，建立合理有效的車架幾何模型是十分必要的。之前的相關研究出于計算成本的考慮，大多將車架考慮成一個整體建立幾何模型，這種建模方式有效的減小了計算時間，但有時并不能真實的反映出車架上應力的分布情況和應力集中的位置。本文采用將車架各零件分別建模，再根據各零件之間的安裝、位置關系將其裝配而成的方法。ANSYSWorkbench雖然具有幾何建模的功能，但由于車架結構零件繁多，結構相對較為復雜，主要由各類型號的矩形管、角鋼等薄壁類零件組成。因此本文選用與其具有良好的數據共享性能的大型三維建模軟件Pro/E建立車架結構的幾何模型。

2.2 幾何模型的導入及對模型的處理

該房車車架結構相對較為復雜，主要由各類型號的矩形管、角鋼等薄壁類零件組成。在車架幾何模型中，一些細小的特征對計算結果的影響很小，但是對網格劃分規模和求解速度的影響較大，有時會造成求解時間過長。因此為了提高計算效率，在不影響計算結果正確性的前提下需要對幾何模型做出如下的簡化：（1）對部分零件形狀的光順化：對于部分零件的尺寸較小的工藝孔、園倒角等細節特征，會增加網格劃分的規模和求解速度，可以將其忽略。（2）省略幾何模型中的非承載部件：對于車架幾何模型中一些輔助承載的部件，如懸架彈簧支座圓環及其他小的支架等附屬裝置，這些部件對車架整體強剛度和模態的影響很小，可以將其省略。本文所分析的車架結構主要由各類薄壁類零件組成，該零件的特點是寬度和長度一般是厚度的十倍以上。對于這些結構進行有限元分析時通常選用板殼單元，既可以減少單元數量，又能準確地建立有限元模型從而得到準確的計算結果。因此對車架幾何模型做出簡化處理后，應該對各個部件進行提取中面處理。中面是零件中間的一層曲面，是對薄壁零件的一種近似，提取中面處理也是劃分板殼單元網格過程中的必要環節。打開Workbench，雙擊Geometry，進入模型處理模塊，選擇工具中的Mid-Surface功能，選擇自動提取的方式，對于不同厚度的零件，分別設置不同的厚度抽取容差。設置完畢后，工具自動找出可提取的中面，單擊Generate即可生成中面。提取完中面后，一些原本連接在一起的零部件之間出現了縫隙，為了消除縫隙，可以采用工具中的SurfaceExtension功能，將零件重新連接起來，確保處理后的模型仍然是一個整體。另外，對坐標系進行定義，X軸正向為車輛前進方向，Y軸正向為前進方向的右側，Z軸正向為垂直向下。

3 車架拓撲優化設計

3.1 優化工況載荷和約束

考慮車架實際行駛工況，包括彎曲工況和扭轉工況，由前一節可以看出，右輪懸空工況比左輪懸空工況更為惡劣，因此扭轉工況僅考慮右輪懸空。根據上一節中車架載荷，選擇主要承載部件，將工具箱及工具、水箱、吊柜以集中載荷的形式分別施加于牽引架后部、車身底部，以及車身側圍對應的位置，床、木柜則以均布載荷的形式分別施加載于車身底部、前部和后部。同時，在輪轂中心與車身以rbe2單元模擬連接關系，約束輪轂中心的自由度。對于彎曲工況，約束牽引架前端、左輪、右輪的xyz平動自由度；對于右輪懸空工況，約束牽引架前端、左輪的xyz平動自由度，放開右輪自由度，同時施加大小為470N的簧下載荷。

3.2 優化參數

優化參數的設置是否合適對于能否獲得清晰能辨的優化方案十分重要，經試算后，設置最小成員尺寸MINDIM為60mm，最大成員尺寸MAXDIM為180mm，棋盤格參數CHECKER和離散參數DIS-CRETE分別為1和2。

3.3 單工況優化結果

利用Optistruct求解器對房車進行彎曲工況和右輪懸空工況下的拓撲優化分析，經過60次和49次迭代計算后，目標函數收斂.

3.4 彎扭聯合工況優化結果

在房車行駛過程中，通常會遇到多個復雜工況，為了充分考慮到各個工況對應的結構特點，構建更為合理的結構，綜合彎曲和扭轉工況進行多工況拓撲優化分析。建立多工況拓撲優化模型的載荷和約束與各對應單工況一致，采用折衷規劃法，將彎曲和扭轉工況取相同權重，并根據各單工況拓撲優化結果設置對應的柔度參考值。經57次迭代，目標函數開始收斂，柔度與迭代次數的關系曲線和材料密度分布云圖如圖1和圖2。從圖中可以看出，多工況拓撲優化后載荷傳遞路徑明顯，較好地綜合了單工況拓撲優化結果的特點，但體現出扭轉工況主導型，整體結果較為合理。材料主要分布在車身底部以及牽引架，車身前部、側圍和頂面材料分布不多。車架需要至少有兩個縱梁以保證彎曲剛度，需要在牽引架處增加斜撐以及靠近車架中部的區域增加若干橫梁以提高扭轉剛度，拓撲優化的結果可以為后期車架的重新設計提供參考。

參考文獻

[1]王佳葦.某型拖掛式房車車架有限元分析及優化設計[D].大連交通大學，2018.

[2]張櫓.房車車架有限元分析及結構優化[D].山東理工大學，2016.

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