基于有限元分析的ATV車架優化設計策略

摘 要：有限元法是現代工程設計的有效輔助工具，結構設計中應用有限元法可以提高車輛動靜態特性。全地形車上許多重要總成以車架為載體，車架剛強度設計非常重要。本文研究介紹有限元分析方法，對ATV車架結構進行優化設計，通過幾何模型轉換導入等技術，建立車架有限元網絡模型，根據車輛受力情況設置邊界條件，分析表明車架剛度滿足設計要求。

關鍵詞：有限元分析;ATV車架;優化設計

中圖分類號：U463.32;U462 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0050-03

有限元技術成為生產商應對行業競爭的重要手段，有限元法可以測評車架性能，為產品開發成功提供保障。有限元法可以對車架剛強度等特性準確分析，在現代車輛設計中得到普遍應用。車架承載道路復雜荷載任務，車架設計尤為重要。研究基于有限元分析的ATV車架優化設計具有重要意義[1]。

1有限元分析技術

有限元法運用不同于普通方法，突出特點是把分析結構離散化，將工程項目實物結構通過結構離散化，要求找出與實際物體各部分一致單元匹配。取有限元模型單元分析，用插值模式代替多項式準確描述位移。有限元模擬計算要對單元荷載向量p（e）推導。對結構進行有限元計算要把組成結構單元荷載向量按相應方式組合，得到方程[K]{δ}={P}，{δ}為整體結構點位移，[K]為整體結構剛度矩陣;{P}為作用于結構的有限元結合點外力。有限元軟件發展已有多年，可以通過有限元分析計算結構應力變值等。軟件公司開發很多有限元軟件，如MARC，ASKA，NASTRAN等。應用Optistruct軟件對物體結構優化設計要建立精確有限元模型，在1D、2D、3D下劃分網絡，使網絡模型與實際物體一致。

2 ATV車架有限元模型

ATV車架安裝發動機、前后橋等總成部件，功能是連接各個總成并承受車輛內外荷載。車架承受來自于車輪的荷載，要求具有足夠剛強度，應適當降低整車重心獲得較大前輪轉向角，對車架進行有限元分析非常必要。本文研究的ATV車架在UG環境建立，車架有100多個零件組成。對物理對象進行有限元分析需要抽象簡化建立幾何模型，然后建立節點與單元構成網絡模型，把材料特性分配到結構幾何構型施加荷載，建立用于分析計算有限元模型。

有限元模型規模對車架結構分析非常關鍵，建立模型要求具有足夠的準確性，車架坐標系建立以車架縱向對稱面交線為原點，以原點垂直向上直線為z軸正方向，車輛前進方向為x軸正方向;根據右手定則確定y軸。車架大部分零件由薄板沖壓成，厚度方向尺寸比其他方向小[2]。選用體單元描述車架會增加單元數目。選用殼單元可縮減計算所需時間。常用殼單元有BT，HL殼單元，本文采用BT殼單元研究車架。考慮計算精度選取單元大小為10 mm× 10 mm計算離散車架部件。前縱梁影響碰撞分析車身吸能，網格質量要求單元邊長10 mm，雅各比>0.5;最大四邊形內角<135°;最大三角形內角<140°。

有限元模型網格質量關系到分析結構準確度，要得到高質量網格模型，劃分車架有限元網格要注意零部件曲面小特征對車架力學性能影響小，避免出現網格自由邊等現象。有限元模型涉及不同零件連接問題，零件連接多功能已是復雜繁瑣過程，車架零件大部分采用弧焊連接方式。焊點開裂造成機構吸能效果下降，建模中要根據實際情況處理焊點，焊點處理方式有公用節點法、剛桿連接法等。有限元建模需要零件材料參數，車架縱橫梁制造在壓力機上采用冷沖壓工藝成型，車架材料應具有足夠屈服極限，良好焊接與冷沖壓性能。選定制造工藝與車架材料相關，拉伸尺寸較大的沖壓件需采用低碳合金鋼，形狀不復雜的沖壓件采用高強度的鋼板制造。以ATV車架CAD三維模型為基礎，經過幾何模型簡化、材料模型建立等步驟得到有限元模型。

3 ATV車架靜態分析

車輛行駛中受到各方向荷載作用，車架支承離合器等簧上質量有關機件。車架在車輛中起到基座作用。整車質量取決于車架結構性能，ATV車行駛條件惡劣，車架應具有足夠彎曲剛度，保證車輛行駛中相關機件位置不變。車架靜態分析為結構優化設計進行分析指導。靜力分析是固定荷載下計算結構響應，不考慮荷載隨時間變化。固定不變荷載是假定與結構響應隨時間變化緩慢。

本文通過車架結構剛度有限元靜力分析，通過改變材料特性調整剛度質量分布，在結構剛度滿足使用要求下降低材料用量。靜力分析控制方程為{K}{U}={F}，{U}為位移向量;{K}為結構剛度矩陣，{F}為荷載向量。使用CAE法進行車架結構有限元靜態分析原理相同，得出{K}{δ}={R}，{R}為荷載列陣;{δ}為結構節點位移列陣;{K}為剛度矩陣。結合公式計算各單元力得到結果整理。{δ}=[D[B][δ]e，[B]為單元應變矩陣;[D]為單元材料有關彈性矩陣;[δ]e為單元節點位移列陣。通過處理有限元模型邊形圖反映車架變形，節點處應力是相連單元應力算術平均值。根據材料強度選擇最大拉應力為強度校核基準，車架靜態強度校核可根據第四強度理論判斷車架結構強度。表1為彎曲工況邊界約束條件。

車架荷載包括變速箱、附件與駕駛室重量等，車架加載可以分布或集中方式，研究車架自重通過定義重力加速度施加;成員重量為均布荷載，車架受荷載由各部分荷載組成;發動機變速箱總重量F1為3 800 N，附件重量F4為1 500 N。滿載彎曲工況是車輛常用工況，剛度分析車架處于彈性變化內，車架材料彈性模量E=207 GPa，零件按實際賦予材料屬性。彎曲工況下第三四五根橫梁變形較大，第四根橫梁兩側縱梁應力位移最大。單位里作用下位移為彎曲剛度，同類型車型最低彎曲剛度值為1 200 N/mm。車架彎曲剛度滿足設計要求。

4 ATV車架有限元模態分析

模態分析是結構動態特性分析形式，固有頻率是評價結構動態設計的主要參數，模態是振動系統特性突出表現形式，通過模態分析得到結構固有頻率，模態分析結構是詳細動力學分析的基礎。車架由于外界時變激勵產生振動響應，車架共振產生噪聲使乘員感覺不適。車架是多自由度彈性振動系統，引起激振力因素包括路面不平度對車輪作用隨機激振，工作沖程爆發壓力引起簡諧激振。車架動態設計要求固有頻率避開常見激振力頻率，車架設計初始階段進行模態分析非常必要。

多自由度系統以固有頻率表現振動形象為模態，機械結構外力對各點響應表示為固有頻率等模態參數構成模態振型疊加。多自由度線性系統運動微分方程為MX+CX+KX={P（t）}。M為車架結構慣性矩陣;X為車架結構位移;K為車架結構剛度矩陣;{P（t）}為車架結構受激振力列陣;K為車架結構剛度矩陣。計算車架固有特性，車架結構無阻尼振動方程為MX+KX=0，求得系統各階固有頻率域振型。車架結構模態分析要求解結果是固有頻率，對車架自由模態分析是結構特性決定。采用實際邊界條件為支撐分析車架有限元模態較為復雜，添加較大邊界條件影響計算精度，自由邊界條件下計算模態參數運用建模方法得到特性，本文對車架有限元模態分析采用自由邊界條件。考慮研究車速分析選取0～200 Hz為計算頻段。

研究利用有限元軟件對車架進行自由模態分析，計算車架自由模態固有頻率，對有限元模型自由狀態下模態提取。運用動態分析模態分析法對車架結構評估，要求車架彈性模態頻率避開發動機工作頻率;車架低階頻率為基頻，要低于發動機怠速運轉頻率。研究ATV全地形車使用直列單缸汽油機，怠速激振頻率計算公式F=（N/60）×M。發動機怠速N為600 r/min，材料為Q235-A，發動機氣缸M=1。發送機怠速激振頻率為10 Hz，發動機爆發頻率為40～90 Hz。根據公式計算外部激勵頻率與車架固有頻率比較，車架第1、2階固有頻率避開路面對車輛激勵頻率范圍，高于發動機怠速頻率。車架第一階模態頻率為21.46 Hz，發動機橡膠置剛度設計不當發生共振。發動機正常工作產生激勵頻率范圍寬，難以判斷是否與車架發生共振。

5 ATV車架尺寸優化設計

設計變量是模型中主要零部件幾何參數，選擇設計變量要注意數量適當，引起影響目標函數的目的;選擇設計變量定義變化合理范圍，變化區間達到優化目的。狀態變量是約束設計數值，SVs通過計算得到數值，選擇SVs應注意避免選取奇異點處值，選擇數目合適約束設計。目標函數必須是設計變量函數，優化設計中允許1個目標函數。選擇變量要能實現優化設計，設計變量數額少降低優化設計迭代次數，過多變量設計增大計算時間，減少設計變量可以把相關設計變量組合。選擇設計變量規定合理范圍，范圍過大影響收斂速度，出現局部最優解。得到最優解在設計邊界范圍檢查是否過小。去掉車架局部加強件，結構優化中未考慮局部荷載會產生錯誤板厚減薄變化，輕量化設計考慮車架縱橫梁。

根據建立優化模型應用軟件對選取零件輕量化設計。優化參數定義后提交計算，驗證車架優化后各方面性能。ATV車架總質量減少18.5 kg，車架彎曲剛度下降142 Nm2/deg，車架質量減少彎曲剛度性能滿足使用要求。表2為優化前后ATV車架主要性能指標對比。研究ATV車架結構有限元分析關鍵技術，保證剛度變化不大下結構設計優化減小各部件厚度，達到車輛輕量化目的。有限元變量選取根據經驗避開影響小的車架部件，使各部件厚度變化不大，降低實際生產成本同時提高燃油率。

6 ATV車架拓撲優化設計

結構優化分為尺寸形狀與拓撲優化，改變原設計拓撲結構困難，拓撲優化是優化領域的新研究方法，以減輕結構質量為目標尋求材料最優分布形式，可以得到更大的經濟效益，成為結構設計研究的熱點。拓撲優化理論對車架設計具有重要意義，車架結構設計前期進行拓撲優化可以全面了解產品結構，拓撲優化是概念設計，需適當修改設計結果可以應用形狀優化得到更好的設計方案。

本文基于有限元分析處理軟件對車架進行拓撲優化分析。車輛行駛中承受扭轉等多種荷載工況作用，車架剛度優化設計非常重要。結構剛度拓撲優化是研究結構剛度最大材料分布形式，以結構整體體積約束為優化目標函數，給定荷載下建立線彈性結構拓撲優化設計靜力下數學模型，{minV（y），s.t.{k（y）-k*≤0，0<yi<1，i=1，…，n，約束條件k*為結構剛度要求。目標函數V（y）為結構總體積;設計變量y是單元密度，在微結構上代表單元存在。宏觀結構表現為存在微觀矩陣孔。以ATV車架為例分析結構空間位置，建立拓撲優化車架出事優化有限元模型。選擇車架材料為45鋼，泊松比為0.3，經迭代計算得到拓撲優化結果。本文進行理想化拓撲優化綜合分析，未考慮整車設計其他一因素。車架第二、三根橫梁需要加強，車架使用中相應部件易產生應力集中現象。應加強部件防止受疲勞破壞。

7結語

本文采用流行的CAD軟件UG，Optistuct對車架進行彎曲剛度、模態有限元分析。以ATV車架為例，從網格劃分參數選擇，連接模擬等方面研究復雜零件有限元網格模型生成方法。對車架有限元模型進行彎曲剛度分析;通過對車架有限元模態分析，為改進車架結構設計提供理論依據。預估系統在外力作用下的響應。通過采用CAE技術對車架進行剛度分析，得出車架具有輕量化改進空間，根據尺寸優化結果修改模型。表明車架質量減少18.5 kg，彎曲桿固定保持不變。通過對車架結構空間位置分析，運用有限元軟件建立拓撲優化模型，得到滿足剛度要求的車架拓撲結構，表明拓撲優化設計方法的有效性。

參考文獻

[1] 劉超.純電動公交車車架結構有限元分析及優化設計：以4路公交車為例[J].電子質量，2021（9）：49-52+55.

[2] 劉擁擁，李媛，馮理，等.FSEC賽車車架有限元分析與優化設計[J].北京汽車，2021（2）：24-28.

Optimal Design Strategy of ATV Frame Based on Finite Element Analysis

ZHANG Wei

（Jiangsu Linhai Power Machinery Group Co.， Ltd.， Taizhou? Jiangsu? 225300）

Abstract： The finite element method is an effective auxiliary tool for modern engineering design. The application of finite element method in structural design can improve the dynamic and static characteristics of vehicles. Many important assemblies on all-terrain vehicles use the frame as a carrier， and the rigidity and strength design of the frame is very important. The research introduces the finite element analysis method， optimizes the design of the ATV frame structure， establishes a finite element network model of the frame through geometric model conversion and import techniques， sets the boundary conditions according to the force of the vehicle， and the analysis shows that the frame stiffness meets the design requirements.

Keywords： finite element analysis; ATV frame; optimized design

收稿日期：2021-12-17

作者簡介：張瑋（1988—），男，江蘇泰州人，本科，工程師，從事ATV技術開發工作。