10_某重型卡车车架优化设计_张建

Altair 2010 HyperWorks技术大会论文集 -1- 某重型卡车车架优化设计

张建1，戚永爱1，唐文献1，张攀2 1 江苏科技大学 机电与汽车工程学院 江苏 张家港 215600； 2 澳汰尔工程软件（上海）有限公司 200120

摘要：本文以HyperWorks软件为平台，建立某卡车车架有限元分析模型，并进行了相应

的试验验证。再针对车架第一、五横梁进行拓扑优化，最后对主梁进行尺寸优化，得出最优化的车架结构。结果表明：计算结果与试验结果相吻合，验证了模型的正确性。根据拓扑优化结果，第一、五横梁侧面多个圆孔调整为单个椭圆孔结构，质量减少0.53%；由尺寸优化得，主梁厚度减小了3mm，主梁质量减少8.74%。与原始车架相比，最终优化后车架的刚度变化不大。最大应力增加了0.15 %，最大应力的位置由第三横梁转移到主梁。 关键词：卡车车架，拓扑优化，尺寸优化，有限元分析

1 前言 随着科学技术的进步，汽车工业飞速发展，汽车在人们的生活中占据越来越重要的位置。作为汽车总成的一部分，车架承受着来自道路及复杂载荷的作用。车架上安装着发动机、传动系、悬架、货厢等有关部件，承受着传递给它的给种力和力矩，工作状态比较复杂。因此车架要有足够的刚度和强度以及可靠性与寿命。寻求到一种优化设计车架的方法非常重要，不仅可以简短汽车的设计周期还能够提高汽车安全性能的可靠性。 传统的设计方法]1[多是依据经典力学理论对车架进行大量的简化计算，再依靠设计者的

经验来设计车架。方案完成后试制样车，对其进行试验以判断设计是否合理。这种方法具有一定的可靠性，但使得设计带有盲目性，汽车的开发周期比较长。随着有限元方法的发展，可以运用复杂的数学方法对车架进行抽象，建立数学模型，计算方面交于计算机，车架的优化设计得到很大提升。 在国外，从60年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算。国内大约是在七十年代末才将有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。有限元法为复杂车架结构分析设计提供重要的基础，同时也促进车架结构的分析和设计的飞速发展。2006年，韩同群]2[对重型自卸汽车车架作了模态和刚度分析并对其中一横梁进行了优化。2007年，黄贵东]3[等人采用梁单元和壳单元模拟车架，对车架进行了有限元分析。2008年，王国林]4[等人在探索车架梁连接方法上采用GAP单元模拟接触并进行了实验验证。2008年，徐

兆勇]5[等人利用虚拟样机技术对一搬运车之间进行分析优化。2008年，叶勤]6[等人在车架建模时采用螺栓和刚性梁单元，对一轻型货车车架进行了有限元分析和刚度优化。2009年，扶原放、金峰达]7[等人将惯性释放原理运用到车架的结构优化中，先进行拓扑优化得到车

架整体结构再进行形状优化得到车架的厚度。2009年，钟佩恩]8[等人对一中型货车车架进行了刚度强度分析，采用了加厚纵梁和添加加强板的方法提高车架强度。2010年，Marco Cavazzuti]9[运用拓扑优化方法对一高性能汽车底盘进行设计。2010年，蒋玮]10[对一轿车Altair 2010 HyperWorks技术大会论文集 -2- 副车架进行了有限元分析和优化并做了侧向和纵向疲劳试验。2010年，王伟]11[等人将遗传算法运用到农用车的车架结构优化中，使得车架减重7.6%。2011年，吕东升、王东方]12[等人对某客车车架进行了有限元分析得出车架刚度薄弱部位。但是，前人在不断探索车架有限元分析及优化的方法，存在着一些缺陷。车架建模时选择单元的合理性，结构优化方法的选择，试验方法的确定以及研究对象车架的选择等有待研究。 国内外对重型卡车车架的研究仍较少，研究数据不足，需要更多的研究积累数据。因此，本文以重型卡车车架为研究对象，以Hyperworks软件为平台，建立有限元分析和优化模型，并用试验验证建模的正确性，再对车架进行结构优化设计。

2 数学模型 2.1 有限元模型 2.1.1 网格模型

由于车架的结构复杂，主要零部件有左、右纵梁，第一、二、三、四、五横梁，发动机前悬置横梁和附件，对一些附属结构和工艺结构根据具体情况进行了以下简化： 1.略去功能件和非承载构件。有些构件仅为满足工艺或使用上的要求而设置，并非根据强度的要求而设置。这些构件对车架结构的内力分布和变形影响都较小，因此在建模时可以忽略，如工艺孔，缓冲座等。 2.对部分部件进行简化。该车架主要是用槽形钢和钢板铆接和螺栓连接而成，在建立结合模型时只保证零件之间的相对准确位置和连接孔的对应；根据副车架和主车架的连接方式，将其简化为主车架左右边梁上的均布载荷，不再单独建模。 3.由于车架多处是多层钢板叠加铆接或螺栓连接而成，在建立有限元模型时将铆钉或螺栓简化成实体单元，通过增加接触层之间的连接点数量来模拟钢板之间的接触行为，从而保证载荷的传递，调整连接实体单元的数量使计算结果稳定在某个值即可。但在发动机横梁处要用焊接单元连接，因为此处施加载荷，接触单元模拟不了实体单元。 模型的网格划分利用有限元分析软件Hyperworks进行，车架梁采用壳单元，吊耳和悬架采用体单元。划分好的网格模型共包含191690个节点，198546个单元。车架网格模型图如下所示：

图1 车架网格模型 车架梁之间多为焊接，本文研究中采用GAP单元模拟接触，部分地方用螺栓连接，在

发动机悬置梁、吊耳和悬架处用焊接单元(CWELD)连接。 Altair 2010 HyperWorks技术大会论文集 -3- 2.1.2 工况的确定 (1)载荷处理 在计算中，将发动机、变速箱、离合器、电池油箱等以静力等效的原则按其在底盘上的实际位置以集中载荷的形式施加于相应的车架的单元节点上。驾驶室（包括人的重量）按安装形式分配到车架纵梁相应节点上，货物、车厢及副车架的重量以均布载荷形式分布到车架左右纵梁上。货物、驾驶室及人等加在纵梁上力为142835N，发动机等加在发动机悬置梁上力为10270N。 (2)约束处理 根据悬架的结构和车体的连接方式，忽略悬架的约束作用，采用简单的两点支承方式，显然是不符合实际情况。这样会使计算结果和实际结果有较大的出入，对于约束点附近的构件的应力影响更大。所以在此采用弹簧单元加梁单元来模拟钢板弹簧。由于车轮轮胎的刚度要比悬架的刚度大得多，故在约束处理中忽略轮胎的变形。 (3)车架悬架的简化方案为： 前悬架：如图2a所示，在每个吊耳处引出一个支撑点，建立垂直方向的弹簧单元，弹簧下面节点用刚性梁进行连接来模拟钢板弹簧的支撑作用；约束左右边C节点的Z向自由度，并限制前端吊耳处的弹簧单元的上下A、B节点在X、Y方向的平移自由度，和车架实际变形情况相一致。（注：X轴为车架横向方向，Y轴为车架纵向方向，Z向为垂直方向。）

a 前悬架 b 后悬架 图 2 悬架简化模型

后悬架：该车架后面采用平衡悬架，在建模时建立如图2b所示的简化模型。钢板弹簧通过平衡悬架与车架相连，弹簧单元上端用刚性单元与悬架相连，并在弹簧上节点处建立X、Y向的弹簧单元，来模拟钢板弹簧的侧向和纵向刚度，另一边采用相同的结构，对应点记为D’、E’、F’、G’。在位移约束时，限制G、G'、F、F’节点的所有自由度，D节点的X、Y、Z向平移自由度，D'节点的Y、Z向平移自由度。 扭转工况，它主要考虑一轮悬空时施加在车架上的扭矩的作用，这是严重的扭曲情况[2]。此时车架处于满载状态，计算中去掉悬空处的约束（左前轮处），还要在悬空处的悬架和车架连接处加上此处轮胎质量和此处所承受的悬架质量（前悬架及车桥和轮胎共9604N）。因为后桥是双桥，轮子很难同时离地，所以在分析时取左前轮悬空计算。

2.2 优化模型 Altair 2010 HyperWorks技术大会论文集 -4- 2.2.1拓扑优化模型 拓扑优化设计包括局部应力作用下的强度拓扑优化和体积约束条件下的刚度拓扑优化。在一般的线弹性情况下，强度拓扑优化和刚度拓扑优化能获得相似的设计结果。但事实上强度拓扑优化有应力不连续和奇异最优解的问题，因而强度拓扑优化要比刚度拓扑优化设计更困难一些。刚度拓扑优化可进一步通过后续的基本设计和详细设计（尺寸、形状优化设计）来考虑应力和稳定性等约束条件。因而现在进行刚度拓扑优化设计。 优化对象选择第一、五横梁，因为拓扑优化属概念设计，可任意选择梁。由于横梁两端部用于和副梁连接，此处不宜进行优化，所以将横梁分成设计区和非设计区。用于连接的部分为非设计区，横梁的侧面和剩余的上下表面为设计区。优化时将横梁上原来的孔填满重新画网格，这样可以使优化结果更加清晰。 第一、五横梁优化的模型为： （1）目标函数：车架第一、五横梁柔度最小。 （2）设计变量：拓扑区域单元密度。 （3）优化约束： 1）体积分数的上限值是0.3； 2）优化控制参数 CHECKER=1； 3）对称约束。

2.2.2 尺寸优化模型 尺寸优化技术作为以最优化零件的参数（例如材料特性、截面尺寸和厚度，以及复合材料的铺层厚度和铺层角度等）为目标的设计方法，目前已广泛在汽车企业得到成功应用。本文基于OptiStruct软件对车架主梁进行了尺寸优化设计。 主梁尺寸优化的模型为： (1)目标函数：主梁体积最小。 (2)设计变量：主梁的厚度，厚度变化范围从5mm到12mm。因为实用钢板厚度按整数变换，所以设计变量离散变换，增量为0.5mm。 (3)优化约束：结构最大应力值小于300MP。

3 结果分析与讨论 3.1 有限元分析结果与实验值比较 车架扭转工况左主梁应力（YY单向应力），因为车架结构左右对称，所以只取左梁作为实验对象。实验时车架实验点上贴有应变片，考虑粘贴的方便性，这些点选择在主梁的下部分。实验部分照片如图3所示：