基于NX NASTRAN 的副車架邊梁輕量化設計

牛凱強，平志峰，劉 軍，宋雙路，咸士玉

（山西航天清華裝備有限責任公司 山西 長治 046000）

1 概述

專用汽車的各種專用裝置和設備都直接或間接地安裝在車架上。為了使汽車底盤車架承受盡可能均勻的載荷，防止汽車底盤車架縱梁的應力集中，往往在專用設備和主車架之間設計副車架。

某專用車為了增加專用設備的安裝空間，在設計副車架時，在副車架縱梁兩側設計下沉式邊梁，以滿足專用設備的安裝需求。

本文以副車架邊梁為研究對象，借助有限元分析技術，研究副車架邊梁承載專用設備后受力情況，驗證副車架邊梁設計的合理性，并對其進行拓撲優化設計。

2 副車架邊梁結構設計

根據某專用車功能要求，專用車副車架縱梁采用300×150 盒型結構，其邊梁需放置專用設備箱，設備箱安裝面相比縱梁上表面下沉200mm，為了滿足其強度要求，邊梁選用HG785D 高強板拼接的形式。邊梁內側與副車架縱梁焊接的形式進行連接，為增強其剛強度，邊梁立板與縱梁上表面平齊，以增加焊縫長度。副車架邊梁的三維模型如圖1 所示。

圖1 副車架邊梁三維模型圖

3 載荷分析

如圖2 中所示，副車架邊梁為懸臂梁，專用設備箱通過螺栓連接固定在兩副車架邊梁中間，設備箱總重約16kN，單個邊梁承重800kg。該專用車跑車狀態時，副車架邊梁受力最大，動載荷約為0.3G。因此，單個邊梁上翼板上表面受力約為10192N。

圖2 副車架邊梁載荷分析圖

4 有限元分析

4.1 有限元模型建立

應用NX NASTRAN 高級仿真模塊對副車架邊梁進行有限元模型建立，設置邊梁材料為鋼材，對邊梁進行單元劃分，選取10 節點四面體網格自由劃分模式，網格大小單元設置為10mm。網格劃分結果如圖3 中所示。

圖3 副車架邊梁網格圖

根據2 節中副車架邊梁的載荷分析，對邊梁有限元模型添加約束及載荷，采用迭代求解器進行求解。

4.2 結果分析

（1）副車架邊梁應力分布如圖4 中所示。從圖中可看出最大復合應力為141.44MPa，位于邊梁翼板折彎處。究其原因，副車架邊梁本就是懸臂梁，為了避免懸臂根部出現應力集中等，將邊梁立板向上延伸，使得應力集中轉移至邊梁翼板折彎處。在車輛越野行駛過程中，副車架邊梁受載荷相對較大。所以，副車架邊梁強度遠遠高于設備箱安裝強度要求。

圖4 副車架邊梁的應力分布圖

（2）副車架邊梁位移云圖如圖5 中所示。從圖中可看出，副車架邊梁最大位移值為1.53mm，位于邊梁最邊緣，與懸臂梁理論位移規律相符合。

通過圖4、圖5 中副車架應力應變云圖可以看出，該結構的副車架邊梁強度遠遠大于設計要求的強度，設計過于冗余，因此，需對副車架邊梁進行優化設計。

圖5 副車架邊梁的應變分布圖

5 拓撲優化

在NX NZSTRAN 高級仿真模塊中，新建拓撲優化求解過程，與3 節中求解結果相關聯，副車架邊梁與縱梁焊接處設置為限制區域，應力/應變、位移設為設計響應，光順iso 值設為0.3，設置迭代次數為25，對副車架邊梁進行拓撲優化計算。

計算后的結果如圖6 所示。從圖中可以看出，邊梁與主梁連接處可以減少，副車架邊梁立板可以多處增加減重孔。

圖6 副車架邊梁的拓撲優化結果圖

迭代25 次后，副車架邊梁應力云圖如圖7 所示，最大應力為392.79MPa，仍然在邊梁翼板折彎處。但圖中可以看出，應力分布相比優化前更為均衡。

圖7 循環25：邊梁的應力云圖

迭代25 次后，副車架邊梁應變云圖如圖8 所示，最大位移為4.26mm，位于邊梁翼板中間部位，說明，優化后此處過于單薄。在副車架邊梁的進一步設計時，此處需做適當增強。

圖8 循環25：邊梁的位移云圖

根據拓撲優化計算結果，以及專用車及工程實際的功能需求，結合機械設計基礎知識，副車架邊梁需進一步進行優化設計。

6 輕量化設計

根據4 節中計算結果，對副車架邊梁進行輕量化設計。仍然采用HG785D 高強板拼接的形式，根據拓撲優化計算結果，根據立板外形，增加梯形減重孔，為了減小圖8 中所示應變值，減重孔避開應變最大位置。立板上部與副車架主梁連接處進行降低高度調整，優化后的副車架邊梁如圖9 所示。

圖9 副車架邊梁優化后三維模型

用3 節中同樣的方法設置副車架邊梁材料及網格單元大小，并施加相同約束和載荷，對輕量化設計的副車架邊梁進行靜力學分析。

圖10～圖11 為輕量化后副車架邊梁應力和位移云圖，由圖中可以看出，輕量化的邊梁，最大應力為348.68MPa，位于邊梁翼板折彎處。最大應變為2.682mm，位于邊梁最外端。結果表明，優化后的邊梁滿足專用設備箱的安裝強度要求。

圖10 副車架邊梁應力云圖

圖11 副車架邊梁應變云圖

副車架邊梁質量由原來14.05kg 減為9kg，減重35.94%，達到了輕量化設計目的。

7 結論

本文通過副車架邊梁的設計，應用NX NASTRAN 對副車架邊梁進行有限元分析，并利用拓撲優化求解進行優化設計，實現了副車架邊梁的輕量化設計，優化后的邊梁減重率為35.94%。研究結果表明，優化后的副車架邊梁不僅能夠滿足專用設備的安裝強度要求，相比優化強，質量更小，受力更為均衡。為專用車安裝并轉運設備提供了理論依據。