87_HyperMorph工具在某型卡车车架扭转刚度优化设计中的应用_陈启亮

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Hyper morph 工具在某型卡车车架扭转刚度优化设计
中的应用
陈启亮 王朋波 高岩
长安汽车北京研究院，北京 100081
摘要：本文采用有限元法对一款冲压铆接车架进行扭转刚度仿真分析和优化。

采用刚性单元和梁单元的组合来模拟铆钉连接，能提供较高的计算精度。

扭转刚度分析结果表明该车架的扭转刚度较低，可优化横梁的布置位置提升车架的扭转刚度。

因此在本文还利用网格变形技术对车架横梁的位置进行优化设计，使车架的扭转刚度有一定的提升。

关键词：车架；有限元；扭转刚度；结构优化
0 引言
在卡车设计中，车架是发动机、底盘、车身、货箱及其它总成的安装基础和关键承载部件
[1]。

实际行驶过程中，车架受动载荷作用产生振动，会加速某些汽车构件的损坏，增加环境噪声，另一方面还会加速驾驶员的疲劳。

通过扭转刚度分析，并与市场上性能口碑较好的车架进行对标，使设计的车架具有较好的刚度性能。

本文以某款车架为研究对象，建立以壳单元为基本单元的有限元分析模型，采用Nastran 软件分析了该车架的扭转刚度，与参考车架的扭转刚度进行对标。

本文还利用网格变形技术，以车架扭转刚度为优化目标，以横梁的位置为设计变量，对车架进行结构优化，使车架扭转刚度有一定地提升。

1 车架结构特征和建模方式
本文所研究的车架为边梁式冲压铆接车架，两侧为两条纵梁，中间有若干条横梁，横梁与纵梁之间用连接板过渡。

纵梁、连接板、横梁均采用铆钉连接。

车架结构如图1所示。

图1 车架结构示意图
Fig.1 Sketch of the frame structure
建立车架有限元模型时，纵梁、横梁、连接板等钣金件用板壳单元模拟，以四边形壳单元为主，含少量三角形单元；附属在车架上的铸造件因形状复杂，用六面体单元建模有困难，故用四面体实体单元模拟，为提高仿真精度，选用二阶单元。

铆钉连接采用将两个铆钉孔简化为孔中心的两个节点，然后将两中心节点用刚性单元或梁单元连接的建模方式。

本文针对铆钉建模时，用刚性单元（RBE2）将铆钉孔中心点与孔边节点连接（Spider式），然后用梁单元(Cbar)连接上下铆钉孔的中心点。

与点对点的连接方式相比，本文的铆钉建模方案能够避免出现局部刚度突变，可提供较好的局部刚度效果。

图2显示了钣金件、铸件和铆钉的建模方法。

a) 钣金件建模b) 铸件建模c) 铆钉建模
图2 车架有限元建模方式
Fig.2 Finite element modeling scheme for the truck frame
2 车架扭转刚度分析
对车架有限元模型进行扭转刚度分析，建立约束、力矩载荷和MPC，测量加载点在Z向的位移值，进而计算扭转刚度。

得到的Z向位移云图如图所示：
图3 车架扭转载荷Z向位移云图
Fig.3 The contour of Z axial displacement for the frame
图4中测量点的Z向位移为20.267mm，计算得到的扭转刚度为21360N·m/rad。

3 车架结构优化
与参考车架的扭转刚度相比，研究车架的扭转刚度值稍低，为了提升研究车架的扭转刚度，本文考虑对横梁位置进行优化。

根据车辆总布置输入，大部分横梁的位置已确定，没有调整空间，仅第三横梁和第四横梁可以沿车辆前后方向（X轴方向）做适量调整。

本文利用Hyper Morph工具和HyperWorks OptiStruct结构优化软件，对第三横梁和第四横梁的位置进行优化布置。

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以第三横梁和第四横梁沿X 轴移动的距离为设计变量，考虑到车辆总布置要求，横梁的移动量不能太大，所以将设计变量的上下界分别设为150mm 和-150mm 。

在进行优化分析时，运用Hyper Morph 工具，采用网格变形技术，让横梁前后两段纵梁网格延X 轴拉伸或者压缩，从而实现横梁前后移动。

其余部位的网格则不允许变形。

优化过程经过五次迭代后收敛，得到优化结果为第三横梁后移150mm ，第四横梁前移62mm 。

优化后测量点Z 向位移为18.977mm ，车架扭转刚度提升到22812N·m/rad ，提升比率为6.8%。

优化前后的横梁位置见图4：
图4 优化前后车架横梁位置
Fig.4 different positions of the cross members before and after optimization
4 结论
本文采用有限元方法对某型车架进行扭转刚度分析，车架用板壳单元模拟。

铆钉连接采用刚性单元和梁单元的组合来模拟，能够有效降低结果误差。

本文以扭转刚度为目标函数，对第三和第四横梁的安装位置进行了优化设计，通过调整第
三、第四横梁的X 轴位置，使扭转刚度由21360N·mm/rad 提升到22812N·mm/rad ，在车架设计前期不增加质量的情况下提升扭转刚度6.8%。

表明结构优化数值方法可作为汽车研发的重要工具。

5 参考文献
[1] 胡亚庄．载重汽车与挂车的车架[M]．北京：人民交通出版社，1964：1-10．
[2] H. J. Beermann. Static analysis of commercial vehicle frames [J]. Int. J. Vehicle Des., 1984, 5(1): 26-52.
[3] 刘齐茂．汽车车架的结构优化设计[J]．机械设计与制造，2005，4：1-3．
[4] Liu Qi-mao. Structure optimization design for the automotive frame [J]. Machinery Design & Manufacture, 2005, 4:1-3.
[5] 李德葆．振动模态分析及其应用[M]．北京：宇航出版社，1989：1-22．
[6]张润生，侯炜．车架刚度及强度的有限元分析[J]．拖拉机与农用车，2007，34(4)：29-33．
[7]Zhang Run-sheng, Hou Wei. Finite element analysis on stiffness and intensity of frame [J].Ttractor & Farm Transporter, 2007, 34(4): 29-33.
[8]张胜兰，郑冬黎，郝琪，李楚琳．基于HyperWorks的结构优化设计技术．北京：机械工业出版社，2007：151-202．
Torsion Stiffness Analysis and Optimization
Design for a Truck Frame with Hyper morph
Chen Qiliang Wang Pengbo Gao Yan
Changan Auto R&D Center, Beijing 100081
Abstract: A stamped and riveted truck frame is analyzed by using the finite element method (FEM) . In order to improve the accuracy of FEM analysis , each rivet joint is simulated by the combination of two spider rigid elements and one beam element . In the result , the torsion stiffness of the truck frame is low , and can be optimized by changing mounting positions of the cross members . It improves the truck frame torsion stiffness with Hyper morph and Hyperworks optistruct by using mesh morphing technique .
Key words: truck frame finite element method torsion stiffness analysis structural optimization
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