基于ANSYS Workbench的某卡車車架輕量化設計

黃立君 萬明軍 高志剛

關鍵詞：輕量化設計;有限元分析;卡車車架;靜力分析

車架作為車輛的主要承載部件，一直以來是車輛輕量化的主要目標之一。但在車輛行駛過程中車架受力十分復雜，在經過輕量化設計之后必須保證其仍然具有足夠的強度以及剛度。王霄峰等人介紹了車架的具體理論與設計方法，如車架性能、參數設定、剛度強度的運算方式及載荷的確定等，為車架的設計提供了最基本的研究方案。近年來由于對節能減排的要求越來越高，不少學者對汽車輕量化進行研究。馬迅、盛勇以車架總體積最小為目標函數對車架進行彎曲、扭轉剛度和一階扭轉頻率等綜合性能方面優化，減重12.5%。杜發榮利用HyperWorks軟件對高速發動機活塞進行拓撲優化，在滿足活塞裙部變形穩定性的條件下，減重30%。盛建、戴作強對純電動客車車架進行參數優化及靜力學分析，表面在保證車架整體性能的前提下，車架質量降低5%，力學性能得到較大程度提升。于志新、曹全德對車架進行自由模態分析和靜力分析基礎上對車架進行尺寸優化，使得車架結構性能明提高，剛度提高8%。本文利用AN-SYS Workbench對某卡車車架進行靜態分析，根據分析結果對車架進行拓撲優化減少車架重量的同時仍然使得車架滿足強度與剛度的要求。

1車架有限元模型的建立

本文以某卡車的車架為研究對象，該卡車的車架為邊梁式車架，用SolidWorks建立車架的三維模型，三維模型建立過程中忽略圓角和小孔特征以及不重要區域和細小結構，其余部分對車架進行1：1建模，將建立好的三維模型導入到ANSYS Workbench中建立車架的有限元模型，如圖1所示。該車架全長4050mm，車架第1根橫梁與第2根橫梁相距895mm，第2根橫梁與第3根橫梁相距600mm，第3根橫梁與第4根橫梁相距880mm，第4根橫梁與第5根橫梁水平間距為490mm，第5根橫梁與第6根橫梁相距1010mm，車架前段寬400mm，尾端寬1000mm。

車架作為—個裝配體，各零部件之間的接觸關系使用綁定接觸，采用實體單元Solidl86來對該車架模型進行網格劃分，網格大小設置為20mm，車架的材料為Q345結構鋼，該材料的密度為7850kg/m3，彈性漠量為2.0e+11N/mm2，泊松比為0.3。

2車架的評價指標

在材料力學中，常用四種強度理論來判斷結構的實效。本文采用第四強度理論作為結構發生塑性破壞的準則，即認為：只要結構任一點的形狀改變比能達到材料的應力極限值，就會引起結構的塑性流動。

3車架在典型工況下的靜力分析

3.1計算工況和基本載荷的選取

汽車在路面行駛過程時，常常會受到不同的載荷作用。如貨物、發動機的重力以及制動時產生的慣性力等等，在這些力單獨或同時作用下會使車架發生各種變形，所以車架在設計的時候必須使車架有足夠的強度和剛度來保證車輛的安全。本文在進行靜力分析時選取了車架在滿載彎曲、滿載彎扭以及緊急制動這三種工況來校核車架是否滿足要求。

滿載彎曲工況：該工況指的是車輛在裝滿貨物、乘客以及燃料所有輪胎同時著地的情況下在水平良好的路面上進行勻速行駛或者靜止的情況。車架變形以彎曲變形和彎曲應力為主，對車架進行強度和剛度校核時，滿載彎曲工況最大動載荷系數不宜超過2.5。

滿載彎扭工況：指汽車在裝滿貨物、乘客、燃料的情況下通過不平路面導致汽車某個或幾個車輪出現抬高或者凹陷的情況。車架出現彎曲和扭轉變形，該工況下最大動載系數不超過1.3。

緊急制動工況：指汽車行駛在良好路面下，遇見突發情況需要緊急剎車，此時汽車在慣性的作用之下會使車架同時受到與汽車行駛方向相反的慣性力作用。該工況下動載系數取1.5。

對車架進行靜力分析之前，要對車架基本載荷的取值進行確定，車架的基本載荷共有三種：駕駛室和乘客、發動機動力總成以及貨物，如下表1列出了本文所研究車架的基本載荷的取值。

3.2各工況下的靜力分析

3.2.1滿載彎曲工況

該工況邊界條件如表2所示，圖2、圖3為車架在該工況下的變形與應力分布云圖。計算結果顯示，車架的最大變形量為1.29mm，最大變形位置在第3根橫梁與第4根橫梁之間縱梁上，車架的最大應力為94MPa，小于材料的許用應力345MPa，最大應力位置在第2根橫梁附近，相比于車架的整體尺寸，車架的變形量在一個安全的范圍，因此符合剛度要求。

3.2.2滿載彎扭工況

該工況邊界條件如表3所示，圖4、圖5為車架在該工況下的變形與應力分布云圖。計算結果顯示，車架的最大變形量為3.58mm，最大變形位置在第3根橫梁附近，車架的最大應力為180MPa，小于材料的許用應力345MPa，最大應力位置在第2根橫梁附近，相比于車架的整體尺寸，車架的變形量在一個安全的范圍，因此符合剛度要求。

3.2.3緊急制動工況

該工況邊界條件如表4所示，在該約束條件下同時施加25m/s2的減加速度來模擬車輛的緊急制動。如圖6、圖7為車架在該工況下的變形與應力分布云圖。計算結果顯示，車架的最大變形量為1.31mm，最大變形位置在第3根橫梁與第4根橫梁之間的縱梁上，車架的最大應力為103MPa，小于材料的許用應力345MPa，最大應力位置在第2根橫梁附近，相比于車架的整體尺寸，車架的變形量在一個安全的范圍，因此符合剛度要求。

4車架拓撲優化設計

在ANSYS Workbench中選擇Shape Optimization模塊進行車架的拓撲優化在分析模型的選擇上仍采用靜力分析時使用的簡化模型，車架作為一個裝配體，各零部件之間的接觸關系使用綁定接觸，采用實體單元Solidl86來對車架模型進行網格劃分，網格大小設置為20mm，車架的材料仍設置為Q345結構鋼，該材料的密度為7850kg/m3，彈性模量為2.0e+llN/mm2，泊松比為0.3。