貨車車架輕量化設(shè)計(jì)及有限元分析

武守輝 查小江 苗宇 馬東旺 潘玉龍

摘 要：目前，國(guó)外主要采用現(xiàn)代化技術(shù)、新型材料及計(jì)算機(jī)模擬仿真對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì);國(guó)內(nèi)貨車車架輕量化設(shè)計(jì)是使用有限元分析軟件分析優(yōu)化前車架的強(qiáng)度和剛度，根據(jù)云圖找出此車架存在的不足，然后在保證剛度和強(qiáng)度的條件下，以減輕車架質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行車架尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。研究表明，此種用于貨車車架輕量化的優(yōu)化方法合理有效，但在材料方面的優(yōu)化還需要不斷努力。

關(guān)鍵詞：貨車車架;輕量化;有限元分析

中圖分類號(hào)：U463.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）22-0100-02

Abstract： At present， foreign countries mainly use modern technology， new materials and computer simulation to lightweight the frame design; domestic truck frame lightweight design is to use finite element analysis software to analyze and optimize the strength and stiffness of the front frame， find out the deficiencies of the frame according to the cloud picture， and then， under the condition of ensuring the stiffness and strength， the vehicle is carried out to reduce the frame weight Frame size optimization and topology optimization. The results show that this optimization method is reasonable and effective， but the optimization of materials still needs to be made.

Keywords： truck frame;lightweight;finite element analysis

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境質(zhì)量變得越來(lái)越差，汽車尾氣的排放是造成環(huán)境質(zhì)量下降的因素之一。許多實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐表明，對(duì)汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是降低汽車排放和減少燃油消耗率的有效措施之一[1]。有關(guān)研究表明，汽車每減重10%，油耗可降低6%至8%[2]。車架輕量化方面的研究可以通過(guò)分析和優(yōu)化車架的尺寸及結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行，車架輕量化能解決因車架本身過(guò)重而造成貨車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性下降的問(wèn)題。在汽車領(lǐng)域?qū)?jié)能減排較為有效的一種方法就是對(duì)汽車進(jìn)行輕量化研究。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)汽車輕量化設(shè)計(jì)方面的研究始于20世紀(jì)80年代。2000年，本田公司創(chuàng)新地將AFS技術(shù)[3]和單體車身完美結(jié)合，研發(fā)出一種全鉛車身，取得了重量減小47%的效果[4]。2002年，美國(guó)通用公司采用復(fù)合材料制造出全復(fù)合型車身，相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)減重達(dá)60%[5]。Lan在2004年應(yīng)用ANAYS軟件對(duì)某客車車身骨架進(jìn)行有限的靜動(dòng)態(tài)特性計(jì)算分析，并用實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，最后在保證車身骨架強(qiáng)度和剛度滿足使用性能的前提下，改變骨架各個(gè)零部件的厚度，達(dá)到質(zhì)量最小的目的。綜上所述，國(guó)外主要采用現(xiàn)代化技術(shù)、新型材料及計(jì)算機(jī)模擬仿真對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)開始進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計(jì)方面的研究較晚。但是，隨著汽車領(lǐng)域的不斷發(fā)展，近年來(lái)，我國(guó)輕量化技術(shù)在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)取得了進(jìn)一步的提高。2013年，中北大學(xué)采用有限元分析軟件對(duì)卡車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化迭代，理論上可使車架輕量化總量達(dá)20%。中北大學(xué)的趙紫純對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，采用UG建立原車架的三維幾何模型，然后在Hypermesh上建立起簡(jiǎn)化后的原車架的有限元分析模型，然后對(duì)車架在相應(yīng)位置施加載荷，并設(shè)置約束條件，驗(yàn)證車架的強(qiáng)度及剛度方面是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最后得出車架需要優(yōu)化的區(qū)域。通過(guò)有限元分析可知，車架的強(qiáng)度及剛度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且具有很大的輕量化研究潛力。趙紫純根據(jù)有關(guān)方面的理論，建立起車架輕量化設(shè)計(jì)所需的數(shù)學(xué)模型，最后，他還基于OptiStruct對(duì)車架的尺寸和形狀等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的車架比原車架的質(zhì)量降低了20.11%，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。

2 常見的輕量化研究方法

在輕量化研究方面，首先采用類比法，在原車架的官網(wǎng)上查閱目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已有的輕型貨車的車架類型以及車架的相關(guān)參數(shù)，仔細(xì)研究，選出一款輕型貨車的車架，對(duì)所選擇的輕型貨車車架的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行仔細(xì)校核。然后采用文獻(xiàn)研究的方法，通過(guò)閱讀大量有關(guān)貨車車架輕量化設(shè)計(jì)及有限元分析的文獻(xiàn)，找到此研究課題存在的問(wèn)題及對(duì)此課題的研究所取得的成果。其次，在SolidWorks三維繪圖軟件中建立優(yōu)化前車架的三維模型，并且將其模型導(dǎo)入ANSYS中，原車架模型在滿載狀態(tài)時(shí)對(duì)彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)和緊急制動(dòng)等這幾種典型工況下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行認(rèn)真分析。

根據(jù)分析幾何模型所得的相關(guān)數(shù)據(jù)分析原車架的強(qiáng)度和剛度，找出設(shè)計(jì)較為安全和薄弱的位置，最終得出此車架的分析結(jié)果。通過(guò)分析結(jié)果，對(duì)此款輕型貨車的車架進(jìn)行材料和尺寸方面的優(yōu)化。在剛度和強(qiáng)度滿足要求的前提下，以車架的質(zhì)量最小化為研究目標(biāo)，然后利用SolidWorks建立優(yōu)化后的車架并將其導(dǎo)入ANSYS軟件中，校核優(yōu)化后的車架強(qiáng)度和剛度在這上述幾種典型工況下是否滿足相關(guān)規(guī)定，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)后的車架模型。最后將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的車架質(zhì)量與優(yōu)化設(shè)計(jì)前的車架質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，在滿足貨車車架強(qiáng)度和剛度的條件下，使車架完成輕量化設(shè)計(jì)。

3 車架的有限元分析

3.1 ANSYS軟件介紹

ANSYS軟件在有限元分析領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，并且具有強(qiáng)大的非線性數(shù)據(jù)分析處理功能。Workbench是ANSYS公司自主研究的新一代有限元分析軟件，它具有客戶化、集成化和參數(shù)化的特點(diǎn)。它不僅擁有ANSYS具備的分析功能，而且能與CAD和SolidWorks繪圖軟件實(shí)現(xiàn)有效連接，同時(shí)，它還支持內(nèi)部嵌入CAD軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)同步處理。

3.2 車架有限元分析的過(guò)程

①優(yōu)化前的處理過(guò)程，包括車架幾何模型的建立、簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、選擇合適的材料以及建立部件之間的約束等內(nèi)容。目前ANSYS是一款業(yè)內(nèi)公認(rèn)的前處理優(yōu)異的軟件。

②求解計(jì)算過(guò)程，包括選擇合適的求解器，并且對(duì)求解器進(jìn)行合理設(shè)置。ANSYS軟件有時(shí)在求解大位移分析時(shí)需要將求解器的大位移選項(xiàng)開啟。

③優(yōu)化后的處理過(guò)程，通過(guò)分析結(jié)果，根據(jù)位移、應(yīng)力等結(jié)果參數(shù)，確定合適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)則，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.3 車架有限元模型的分析處理

車架的有限元分析主要是通過(guò)SolidWorks建立三維車架的幾何模型，然后將相應(yīng)的文件導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中，在相應(yīng)的文件導(dǎo)入Workbench后，在DesignModeler平臺(tái)上生成車架三維幾何實(shí)體。在生成幾何體后不考慮鉚釘、螺栓等這樣的連接部件，如果考慮這些部件，不僅需要施加摩擦、接觸及預(yù)緊力等非線性內(nèi)容，而且螺栓、鉚釘數(shù)目眾多，需要簡(jiǎn)化車架模型。在進(jìn)行車架強(qiáng)度及剛度的有限元分析時(shí)，主要關(guān)注縱梁及橫梁等部件上的應(yīng)力。幾何處理完成后進(jìn)入Mechanical，生成分析模型。生成模型后需要在車架縱梁、連接角鋼及橫梁之間建立綁定約束，車架各部件之間才能正確傳遞作用力。隨后，將優(yōu)化前的車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且設(shè)定車架模型的邊界條件，然后在典型工況下得出有限元分析的結(jié)果，找到車架中可以優(yōu)化的尺寸和結(jié)構(gòu)。

4 輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，通常使用SolidWorks三維繪圖軟件繪制原車架的三維幾何模型，然后將車架模型導(dǎo)入ANSYS中，原車架模型的分析重在對(duì)車架模型簡(jiǎn)化處理、網(wǎng)格劃分、鏈接單元處理及邊界條件等問(wèn)題進(jìn)行研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在保證車架剛度和強(qiáng)度的情況下使車架輕量化。

隨著數(shù)學(xué)方面理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)已逐步采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)整車或部件的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。有限元分析可用于實(shí)現(xiàn)分析、優(yōu)化整車或部件的結(jié)構(gòu)，計(jì)算各種工況參數(shù)，如剛度、強(qiáng)度等。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為車架輕量化設(shè)計(jì)的主要措施，它不僅能節(jié)省汽車車架的開發(fā)周期，而且能在一定程度上降低汽車設(shè)計(jì)過(guò)程的成本。輕量化設(shè)計(jì)對(duì)減少汽車排放物也具有很大的作用。

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