基于ANSYS Workbench車架的有限元分析和輕量化研究

趙艷梅 鄭艷萍

摘 要：本文基于ANSYS Workbench仿真平臺，以云南紅塔金麒麟、玉麒麟系列卡車車架為研究對象，實現(xiàn)對車架的靜力學(xué)分析和輕量化研究，為車架的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：有限元建模；靜力學(xué)分析；輕量化設(shè)計

隨著社會對節(jié)能減排的要求越來越高，汽車的輕量化已成為汽車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，而車架是汽車的重要部件之一，約占據(jù)著汽車重量的1/10，因此車架便成為汽車輕量化的首要目標(biāo)。

1 車架的有限元建模

有限元建模是有限元分析過程中的第一個重要步驟，本文采用 ansys Workbench 15.0版本，對云南紅塔金麒麟、玉麒麟系列卡車車架進(jìn)行有限元分析。車架采用的材料為Q345，該車架全長6924mm，軸距3500mm，前端寬835mm，后端寬745mm，由左右2根縱梁和8根橫梁組成，是一個典型的邊梁式結(jié)構(gòu)。基于相關(guān)建模原則和網(wǎng)格劃分方法，依次實現(xiàn)了：1車架幾何模型的建立-考慮到車架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了提高建模效率，本文選用建模功能強大的SolidWorks軟件建立幾何模型；2單元類型的選擇-車架縱、橫梁建立為面模型，吊耳結(jié)構(gòu)建立為實體模型，懸架系統(tǒng)采用彈簧單元來模擬，Workbench自動識別后，分別采用SHELL181，SOLID186和COMBIN14三種單元進(jìn)行模擬；3連接關(guān)系的模擬-在Workbench中，縱梁和橫梁以及縱梁和吊耳均采用Bonded接觸關(guān)系，而懸架系統(tǒng)采用彈簧單元模擬板簧；4有限元網(wǎng)格的劃分-依據(jù)網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合計算精度和成本，對車架進(jìn)行了合理的網(wǎng)格劃分。通過這一系列過程，建立了車架的有限元模型，為后文的分析打下了良好的基礎(chǔ)。

2 車架的靜力學(xué)分析

有限元法對車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以得到車架在靜態(tài)載荷下的變形和應(yīng)力分布情況，并可預(yù)知車架的薄弱位置，為車架的設(shè)計和優(yōu)化提供指導(dǎo)和參考。本文選擇具有代表性滿載彎曲工況，并采用質(zhì)量點的方式施加基本載荷，動載系數(shù)取為2.5。經(jīng)過詳細(xì)的統(tǒng)計，得到基本載荷駕駛室和成員共530 kg，動力總成630 kg，貨物4000 kg，得出靜力分析結(jié)果如表1所示。

根據(jù)靜力分析結(jié)果可以看出，車架的強度是足夠的，并且強度余量很大。通過有限元分析的具體應(yīng)力云圖和位移圖得出，在縱梁和第四根橫梁的連接處應(yīng)力值也是較大的，而在其他地方的應(yīng)力值都普遍偏小，可以考慮對這些地方的板厚進(jìn)行適當(dāng)減少。車架的最大變形為4.58mm，相對于車架總長，這種變形量是非常小的，說明車架的剛度也是足夠的。

3 車架的輕量化

3.1 車架優(yōu)化設(shè)計模型

本文所研究的車架模型，在設(shè)計初期，縱、橫梁的板厚均取為6.5mm，車架的總重量為468.62kg。基于此，本文將采用滿載彎曲的計算工況，需要尋求最合適的優(yōu)化方法，在滿足相關(guān)性能的前提下，使車架重量最輕。

3.2 優(yōu)化設(shè)計參數(shù)選取

設(shè)計變量選為車架的板厚，即2根縱梁和8根橫梁的板厚，總共10個變量，板厚的變化范圍確定在3～10mm；選擇車架的最大應(yīng)力和最大變形作為狀態(tài)變量。結(jié)合滿載彎曲的靜力計算結(jié)果，考慮經(jīng)驗值1.5的安全系數(shù)，最大應(yīng)力的上限設(shè)為230MPa，最大變形的上限設(shè)為5mm；選用Workbench中的響應(yīng)曲面優(yōu)化法，其中實驗設(shè)計類型選擇CCD，響應(yīng)曲面類型選擇Kriging。

3.3 車架輕量化結(jié)果

由表2可以看出，在滿足車架剛度和強度要求的前提下，車架的材料得到了合理的分布。優(yōu)化后，車架的重量為390kg，相對于優(yōu)化前的重量（468.62kg）減輕了16.8%，優(yōu)化效果明顯。本次優(yōu)化的整個過程，可以為車架的優(yōu)化設(shè)計提供一種思路和方法，為深入進(jìn)行車架的輕量化奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡介：第一作者趙艷梅，就職于河南化工技師學(xué)院；第二作者鄭艷萍，就職于鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。