于志新， 曹全德， 楊士通

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012）

某載貨汽車車架有限元分析及尺寸優(yōu)化

于志新， 曹全德， 楊士通

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012）

建立了某貨車車架簡(jiǎn)化模型，分別在滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)三種工況下，對(duì)車架施加相應(yīng)的邊界約束和載荷約束，進(jìn)行了靜力響應(yīng)分析，獲得了其應(yīng)力應(yīng)變圖；同時(shí)計(jì)算了其在自由狀態(tài)下的振動(dòng)特性，獲得了前6階固有頻率。根據(jù)靜力分析獲得的結(jié)果，找出車架結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，在此基礎(chǔ)上選取2縱梁和8橫梁的厚度尺寸作為設(shè)計(jì)變量，約束其重量不超過(guò)970 kg，以車架整體加權(quán)柔度最小為目標(biāo)在Optistruct中進(jìn)行尺寸優(yōu)化，以保證其具有足夠的剛度。

車架；Hypermesh；靜力分析；模態(tài)分析；尺寸優(yōu)化

0 引言

車架是車輛結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整車設(shè)計(jì)過(guò)程中很重要的一環(huán)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元方法越來(lái)越多地應(yīng)用于車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[1-5]。

本文利用Hypermesh對(duì)車架進(jìn)行有限元建模，獲得了其自由狀態(tài)下的低階固有頻率，并分析了在三種工況下的靜力問(wèn)題，通過(guò)分析得到的云圖，找到其結(jié)構(gòu)的薄弱處，進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加合理，從而使其性能得到改善。

1 車架模型的建立

車架由若干縱梁和橫梁構(gòu)成，橫、縱梁都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的板橋體，且厚度不同。本研究中車架長(zhǎng)6800 mm，寬950 mm，將Pro/E創(chuàng)建的車架模型導(dǎo)入Hypermesh中，利用其強(qiáng)大的前處理功能對(duì)車架做前處理，經(jīng)適當(dāng)幾何清理并以網(wǎng)格大小為10進(jìn)行劃分；進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查；賦予車架參數(shù)屬性即完成建模。其材料采用寶鋼B550L鋼板，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，密度為7850 kg/m3。有限元模型如圖1所示，共有 118 545節(jié)點(diǎn)，113 564單元。

圖1 車架有限元模型

2 模態(tài)分析

在Radioss求解器中，對(duì)其有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到前6階固有頻率，如表1所示。

貨車在工作過(guò)程中，激勵(lì)多來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和路面，目前高等級(jí)路面的激勵(lì)頻率多在3 Hz以下[6-7]，本文載貨車采用6缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速為800 r/min，計(jì)算得怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率為40 Hz。由表1可見(jiàn)，該車架前6階固有頻率都在3～40 Hz安全范圍內(nèi)，滿足要求，較好地避免了共振。

表1 車架前6階固有頻率

3 模型靜力學(xué)分析

車輛行駛過(guò)程中，作用在車架上的載荷很復(fù)雜，本文對(duì)車輛在三種工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析，即滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動(dòng)工況[8-10]。

滿載彎曲工況時(shí)，約束左前輪的x、y、z方向平動(dòng)，右前輪y、z方向平動(dòng)，左后輪x、z方向平動(dòng)和右后輪z方向平動(dòng)[11-13]；載荷考慮駕駛室、動(dòng)力系統(tǒng)、貨箱、載貨以及車架自重。將駕駛室、動(dòng)力系統(tǒng)等載荷以集中載荷的形式加到車架對(duì)應(yīng)的部位上；對(duì)于車架自重，則以密度的形式折算到車架上進(jìn)行模擬，對(duì)于貨箱以及貨物重量，其加載范圍較大，以均布載荷的形式施加在車架相應(yīng)位置上[14-15]。計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 滿載彎曲工況下的應(yīng)變圖

圖3 滿載彎曲工況下的應(yīng)力圖

圖2、圖3為車架在滿載彎曲工況下的應(yīng)變、應(yīng)力圖，最大變形量為0.21 mm，發(fā)生在縱梁P-14中部處；最大應(yīng)力發(fā)生在縱梁P-14后部，值為20.2 MPa。此處位于后輪附近，即懸架吊耳附近，與載荷分布一致。

滿載扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，約束左前輪x、y、z方向平動(dòng)，右前輪y、z方向平動(dòng)，左后輪x、z方向平動(dòng)，釋放左后輪y向旋轉(zhuǎn)，釋放右后輪；載荷同彎曲。計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5。

圖4 滿載扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)變圖

圖5 滿載扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖

圖4、圖5為滿載扭轉(zhuǎn)工況下的車架應(yīng)變、應(yīng)力圖，最大變形量20.0 mm，發(fā)生在尾部橫梁邊緣；最大應(yīng)力發(fā)生在縱梁P-14后部，值為198.7 MPa，此時(shí)行駛車輛一側(cè)車輪會(huì)懸空，所以懸空處應(yīng)變會(huì)變大。

緊急制動(dòng)工況時(shí)，約束左前輪和左后輪的x、y、z的平動(dòng)，右前輪和右后輪y、z方向的平動(dòng)，載荷同彎曲。計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6、圖7為車架在緊急制動(dòng)工況下的應(yīng)變、應(yīng)力圖，最大變形發(fā)生在其縱梁A-14中部，其值為0.21 mm；最大應(yīng)力發(fā)生在縱梁P-14后部，其值為18.6 MPa。

圖6 緊急制動(dòng)工況下的應(yīng)變圖

圖7 緊急制動(dòng)工況下的應(yīng)力圖

由以上云圖可以看出：車架的最大應(yīng)力為198.7 MPa，發(fā)生在縱梁P-14后部；車架其他部位應(yīng)力都遠(yuǎn)小于198.7 MPa，而B(niǎo)550L鋼板的屈服極限是355 MPa，車架上應(yīng)力小于材料屈服極限應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；而車架最大位移大約為20.0 mm，發(fā)生在車架尾部橫梁的邊緣處。以上分析結(jié)果表明：車架強(qiáng)度滿足要求，但是其整體剛度仍有很大提升空間。

4 車架尺寸優(yōu)化

在此對(duì)車架尺寸優(yōu)化進(jìn)行優(yōu)化。

目標(biāo)函數(shù)：優(yōu)化的目的是使車架在三種工況下其加權(quán)柔度最小即剛度大。即minf（x）=f（x1,x2,x3）。式中：x1代表車架在工況一下的柔度；x2代表車架在工況二下的柔度；x3代表車架在工況三下的柔度。

約束條件：m≤970，其中m為車架的質(zhì)量。

設(shè)計(jì)變量：選取2根縱梁和8根橫梁的厚度作為變量。即A-14、F-8、Z-8、V-6、U-6、P-14、H-6、E-6、G-8、R-8。

車架是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化過(guò)程中為使左右兩縱梁的厚度保持相同，需要對(duì)兩根縱梁設(shè)置相關(guān)聯(lián)。在OptiStruct中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，經(jīng)過(guò)5次迭代達(dá)到收斂。優(yōu)化前后各橫梁、縱梁的厚度變化見(jiàn)表2。

經(jīng)圓整優(yōu)化后再進(jìn)行分析，最大變形量是12.3 mm，剛度提高了8%，說(shuō)明該方案對(duì)車架的尺寸優(yōu)化效果顯著。

5 結(jié)論

利用有限元分析法對(duì)車架進(jìn)行了自由模態(tài)分析和靜力分析，經(jīng)分析，車架的低階模態(tài)參數(shù)滿足要求，而車架的整體剛度不足，在此基礎(chǔ)上對(duì)車架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，改進(jìn)后的車架結(jié)構(gòu)性能有明顯提高，其剛度提高了8%。

[1] 石琴,洪洋,張雷,等.拓?fù)浼皡?shù)優(yōu)化方法在專用汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2005,22(12):30-33.

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Finite Element Analysis and Dimension Optimization of a Truck Frame

YU Zhixin，CAO Quande，YANG Shitong
（Changchun UniversityofTechnology,Changchun 130012,China）

Based on the simplified model of a truck frame,the corresponding boundary constraint and load constraint are applied to the frame under three conditions:full load bending,full load reversing and emergency braking.Static response analysis is carried out to obtain the stress and strain diagram.The vibration characteristics in the free state are calculated,and the first 6 natural frequencies are obtained.According to the results obtained by the static analysis,the weak parts in the frame structure are found.On this basis,the thickness of the 2 longitudinal beams and the 8 beams is chosen as the design variable,and the weight is less than 970 kg.Taking minimum weighted compliance as object,the dimensions of the overall frame are optimized in Optistruct to ensure its sufficient rigidity.

frame;Hypermesh;static analysis;modal analysis;size optimization

U 463.320;U 462.1

A

1002－2333（2018）01－0018－03

（編輯明 濤）

于志新(1975—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制；

曹全德（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槠囕p量化設(shè)計(jì)。

2017-03-13