車架結構優化設計方法的探究

東鑫淵 王陽陽

摘要：車架結構主要是通過鉚接或焊接連接，由于存在大量的節點連接，因此會產生很多結構問題。這些問題主要集中在車架結構的強度和剛度上，造成整車結構的安全性和整體的使用性能降低。所以，在車架結構的最初設計階段，通過結構調整，優化和保證其整體性，改善車架力學特性并提高整車性能特點是關鍵。為了改善車架的性能，結構構造中應保持整體性，避免大量使用焊接和鉚接連接。因此，提出最小量分割法應用在車架結構優化設計這一基本思路。

關鍵詞：車架結構；優化設計；最小量分割法

本文主要研究目的是改善車架的性能，提高結構構造中應用的整體性，避免大量使用焊接和鉚接連接。為了實現結構優化，提出最小量分割法應用在車架結構優化設計這一基本思路上。最小量分割核心思想是找到車架結構中的小應力區域，在此區域進行車架結構的分割與連接，保證車架結構的整體特性和良好的受力特性。

現存車架設計結構缺陷分析

據統計，有60%～80%汽車車架結構是一體化設計，即車架的外殼結構、主車架結構和承載梁一體化。對汽車結構進行沖壓作業時，鋼板被沖壓成設計階段對應的形狀，然后將壓制的各種槽鋼、梁結構、鈑金結構等焊接或鉚接成剛性構件，組成一個整體車架結構。另一種車架結構是由用很多鋼管焊接成一個框架，在框架上安裝其余部件[1]。

根據上述車架結構的形成可知，其主要結構均通過焊接工藝實現。因此必然會造成車架結構存在較大殘余變形和殘余應力，且焊縫處的裂紋、雜質、咬邊等問題會導致結構強度降低，影響車架結構安全性等問題。

最小量分割法的思路分析

車架結構在設計制造中主要應用焊接工藝，存在大量焊縫連接問題。為改善車架綜合特性，提出一種最小量分割法設計思路，避免車架結構上存在較多的連接節點，減少節點可以降低結構的累積誤差，保證結構的強度和剛度。

最小量分割法的基本設計思想是根據車架結構的加工方式和裝配要求所必須進行的最少次數的分割，分割次數的減少可避免過多的焊接連接，提高車架的整體性[2]。因此，車架結構在設計過程中的核心思路是找到結構主體的小應力區域，并對該區域進行結構分析，在合理的位置對車架進行分割，分割的區域分別進行構造連接，最后將各區域焊接在一起形成完整的車架結構。

以大梁式車架結構為例分析最小量分割法的應用

1.車架優化設計的基本原理

現有的車架結構主要是將橫梁焊接在縱梁上，采用元件“疊加”的方式形成。本文對車架結構優化設計的基本思想是“減”，將設計對象看作一個有機整體，一般為規則形狀的長方體，在這個長方體上布置出各個模塊單元，通過這些模塊單元與車架各系統進行連接。這些系統主要指的是行走系統、制動系統、轉向系統和發動機結構的布置方式位置等。應用ANSYS有限元軟件對主體結構進行有限元計算，分析出主體車架結構在各使用工況和荷載下的應力分布和危險截面位置。根據應力分析找出“減”區域，即將應力分布較小的區域切除，此切除空間作為其他模塊布置，大應力區域保留（或適當的切除與添補）。同時通過參數化的設計方法控制各個模塊空間的尺寸。

通過上述操作初步完成車架結構的布置，然后再利用ANSYS進行荷載分析，并找出小應力區域，再次切除該區域，通過上述多次的有限元分析和切除，不斷迭代，既可保證力學性能要求外也可使車架結構輕量化。上述原理和思路就是最小量分割法，可以防止各模塊通過大量焊接、鉚接連接在車架上，破壞車輛的強度剛度和整體性[3]。

2.車架基本結構和有限元模型建立

以26t貨車的大梁式車架為例，其外輪廓尺寸為8000mm×600mm×250mm。車架的有限元模型簡化為一塊方形板，并進行各系統和模塊的位置分布。將應力分布較小的區域切除，最后對結構進行多次迭代運算來實現整體結構的最優化設計方案。方形車架簡化圖和有限元模型如圖1所示。

3.車架小應力區域切除方案

基于小應力區域減法的思想，同時考慮到車架的彎曲變形，切除車架上各個分段區域內的小應力區域，形成具有橫縱梁的車架。車架橫梁的幾何位置通過上述分析結果來確定，幾何尺寸根據各自區域最大應力的大小確定。通過切除后形成的橫梁的位置尺寸和幾何尺寸來體現切除區域的大小和位置[4]。圖2所示為車架小應力切除方案及對應的ANSYS模型。

4.施加的載荷與約束分析

（1）載荷分析 車架的靜載荷一般以力荷載和應力分布荷載這兩種情況出現。在汽車制動中產生的荷載以應力荷載、角加速度荷載和力荷載這三種情況出現。離心荷載除了力荷載和應力荷載以外，還表現為角速度荷載[5]。表1為荷載數據的具體分布情況。研究中，靜載荷的表示是在結構上施加的應力荷載δ1和δ2，制動荷載的表示是指結構上的等效加速度ae；離心載荷的表示是指結構上的等效角速度ωe。

（2）約束分析 利用有限元分析車架結構時，通常將全約束施加在車橋與車架連接的節點位置。由于在縱梁結構方向上一般會設置一定長度的鋼板彈簧作為減振結構，所以在分析此部分車架梁產生的位移形變時，主要沿著豎直方向分析。此外，一般車架結構分析要對位移施加全約束，主要原因是車架在結構設計中不考慮彈性元件[5]。因此，根據車架在靜態、轉彎、制動、不對稱這四種工況下的約束和荷載分布，對車架結構進行有限元分析。

5.最小量分割后車架性能分析

車架在汽車停車、行駛、轉彎及制動四種工況下的ANSYS參數化分析可得到車架的應力分布情況，將小應力區域切除，大應力區域保留。不斷進行力學特性分析及性能迭代，提高結構的強度剛度和整體性的性能要求。四種工況的分析結果如圖3所示。

本文對車架在小應力區域分割后的性能分析主要原因有兩點：一是保證車架結構在分析校核計算中各應力區域單元和最大的變形量均在安全范圍內；二是檢驗各區域的最大應力點的位置是否與切割前車架上各區域的最大應力點的位置一致，不會因為切割導致大應力區域的突變，以此來證明此次切割位置的正確性。

從ANSYS分析可知，對比車架在切割前后，各分割區域的最大應力點和最危險截面位置基本保持一致，切割的方案正確。四種工況下的最大位移均很小，滿足車輛使用的允許范圍，這說明車架的剛度滿足設計要求。根據ANSYS的應力分布云圖和相關仿真參數，得到最大應力值和具體分布位置，且最大應力小于最大屈服強度，說明車架強度滿足設計要求。此外，根據仿真結果發現車架的表面通常是最大應力分布的主要位置，而車架內部應力分布一般較小，這符合結構設計的基本要求。

結語

本文通過以大梁式車架結構模型為例進行設計分析，利用ANSYS有限元得到模型的應力分布情況。根據最小量分割法的基本應用原理對小應力區域進行多次切除和迭代，既保證了車架結構的綜合力學特性，又實現了結構的輕量化設計。

根據加工制造與裝配工藝要求，在始終處于小應力的區域進行最小量的分割。相比較而言，傳統的設計制造中將各模塊區域單元通過焊接或鉚接的方式連接在車架上，實現了保證車架結構的強度剛度和整體性以外，又滿足最少連接點的制造工藝的要求，實現了綜合力學性能較強的車架結構的設計方法，體現了這種車架結構設計優化的新思路和整體方案設計的優點。

參考文獻：

[1] 寧磊.基于最小分割車架結構的設計[D].西安：西安建筑科技大學，2014.

[2] 李高尚.汽車前副車架結構拓撲優化設計及試制[D].長春：吉林大學，2020.

[3] 顧方秋，蘇小平.某半掛車車架性能分析及結構優化設計[J].重慶理工大學學報，2022，36（7）.

[4] 朱訓棟，許鑫. 某型三輪汽車車架的結構優化設計[J].機械研究與應用，2020，33（3）：122-124.

[5] 寧磊，梁乾. 基于“最少量連接”的車架設計方法的探究[J].汽車科技，2019（6）：38-41.