基于HyperWorks某載貨電動貨車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王亮

(鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校， 江蘇鹽城 224000)

0 引言

車架作為電動貨車的主要承載基體，其性能直接決定了整車的噪聲、平順性，同時也對電動貨車的整體性能產(chǎn)生直接影響。電動貨車在運(yùn)行過程中其車架需要承受整車以及貨物的作用，且受到各種隨機(jī)激勵的影響，不過和普通燃油車相比，其動力系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的變化，因而動力系統(tǒng)的性能也大幅度改變[1-2]。一些電動貨車中設(shè)置了高性能的動力電池，這對改善其性能有重要的意義。不過從總體上看，純電動貨車依然存在很多應(yīng)用局限性，如效率低、成本高、續(xù)航性能有限，這對其大范圍應(yīng)用產(chǎn)生很不利的影響[3]。因而很有必要針對這種車輛設(shè)計(jì)出輕量化專用車架，從而降低整車質(zhì)量，提升其效率和動力性，這對電動貨車的推廣和應(yīng)用有著重要的意義。本文作者以現(xiàn)有某國產(chǎn)電動貨車為例，對車架進(jìn)行了特性分析，同時以輕量化為目標(biāo)對車架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中的研究，對電動貨車整車性能的提升和促進(jìn)電動貨車技術(shù)水平的發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 車架有限元分析

電動貨車在運(yùn)行過程中其車架承受的載荷及位置明顯不同于普通燃油車。進(jìn)行力學(xué)分析可知這種車輛在滿載條件下車架承受的載荷主要包括貨物質(zhì)量，以及驅(qū)動控制單元的質(zhì)量。表1顯示出其中各單元的具體質(zhì)量。有限元分析時考慮到車架的縱、橫梁材料為槽鋼，因而選擇殼單元模擬車架。通過剛度單元對車架縱橫梁的連接進(jìn)行模擬。同時還在對應(yīng)位置設(shè)置駕駛室、發(fā)動機(jī)與貨物載荷。在此基礎(chǔ)上確定出圖1所示的車架有限元模型。車架選擇了610L材料，表2具體說明該類材料的性能參數(shù)。

表1 電動貨車車架受載質(zhì)量

圖1 車架有限元模型

表2 車架材料參數(shù)

對車架進(jìn)行有限元模擬分析過程中，考慮到的工況主要包括彎曲、急轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)、加速、急停等幾種[4-5]，表3示出不同工況下的邊界參數(shù)。

表3 各工況下的邊界條件

(1)彎曲工況。該工況主要對應(yīng)于車輛水平靜止或低速通過良好路面時。在有限元分析時為避免車架應(yīng)力集中，而設(shè)置合理的約束條件，主要對前懸架簧下端節(jié)點(diǎn)縱向平動自由度施加約束，而后懸架在縱向可有一定幅度滑動。

(2)扭轉(zhuǎn)工況?；谠摴r模擬分析車輛單側(cè)車輪出現(xiàn)很強(qiáng)沖擊載荷條件下，車架受到?jīng)_擊而產(chǎn)生的應(yīng)力分布。此工況可進(jìn)一步劃分為前輪扭轉(zhuǎn)工況和后輪扭轉(zhuǎn)工況，前一種工況下主要是施加一定量中心豎直方向強(qiáng)制位移到左前懸架鋼板彈簧約束處而實(shí)現(xiàn)；后一種工況下，則對右后懸架鋼板彈簧約束處施加同樣的位移來模擬。

(3)加速工況。此工況時設(shè)車輛以0.6g加速向前運(yùn)行，且存在一定幅度的后向慣性力，對應(yīng)的邊界參數(shù)和第一種工況的相一致。

(4)緊急制動工況。車輛在運(yùn)行過程中緊急制動情況下，受到加速度的影響，車架會受到一定慣性載荷。理論分析可知車輛在制動時，產(chǎn)生的制動減速度最大值主要取決于輪胎與路面的附著系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知在很干燥的瀝青路面上，此系數(shù)的取值范圍為0.7～0.8。這樣在對此工況進(jìn)行模擬時，設(shè)置了0.8g的縱向減速度。

(5)緊急轉(zhuǎn)彎工況。此工況條件下車架受離心加速度的影響而受到一定側(cè)向載荷作用。車速和轉(zhuǎn)彎半徑直接決定了離心加速度大小。因而對此工況進(jìn)行模擬時，設(shè)置了橫向的離心加速度和縱向的減速度。邊界條件和彎曲工況的相一致，設(shè)置的右側(cè)離心加速度為0.5g，而制動減速度為0.6g。

分析圖2可看出，各工況下車架最大應(yīng)力存在明顯差異，對應(yīng)的最大應(yīng)力數(shù)值和位置分別為：彎曲工況，310.4 MPa處于電池夾與縱梁連接部位；扭轉(zhuǎn)工況,前輪扭轉(zhuǎn)時563.8 MPa，后輪扭轉(zhuǎn)時400.9 MPa對應(yīng)的位置分別為第二、六橫梁連接板與縱梁連接區(qū)域；加速工況，313.4 MPa出現(xiàn)位置和第一種工況的相同；急停工況，330.8 MPa也出現(xiàn)在電池夾與縱梁相連區(qū)域；急轉(zhuǎn)工況，408.2 MPa出現(xiàn)部位和前者的相一致。

理論分析可知材料的安全系數(shù)可具體表示為:

式中：σs為屈服極限，σmax為最大應(yīng)力。

若計(jì)算發(fā)現(xiàn)此系數(shù)n>1,則可判斷出該工況下車架強(qiáng)度在合理范圍內(nèi)，否則可能產(chǎn)生一定損壞問題，因而在設(shè)計(jì)時應(yīng)該對此進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

代入不同工況下最大應(yīng)力數(shù)值到以上表達(dá)式中，確定出相應(yīng)的安全系數(shù)具體如下：(1)彎曲工況，1.87；(2)扭轉(zhuǎn)工況，前輪扭轉(zhuǎn)和后輪扭轉(zhuǎn)工況下分別為1.03、1.45；(3)加速工況，1.85；(4)急停工況，1.75；(5)急轉(zhuǎn)彎工況，1.42。

對比結(jié)果可知，上述工況中，這幾種工況的安全系數(shù)都大于1。且只有前輪扭轉(zhuǎn)工況情況下此參數(shù)稍大于1，其他的都明顯高于1，因而存在明顯的強(qiáng)度冗余，可以對其輕量化改進(jìn)以便實(shí)現(xiàn)減重目的。

圖2 各工況下車架應(yīng)力分布

2 車架多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化

進(jìn)行建模時，應(yīng)該根據(jù)優(yōu)化要求將目標(biāo)區(qū)劃分為優(yōu)化設(shè)計(jì)與非優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)。文中為確定出車架結(jié)構(gòu)最佳參數(shù)，設(shè)定非優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)為受力點(diǎn)和約束點(diǎn)，其余的都為優(yōu)化區(qū)。在確定出對象的模型后，接著對初始幾何模型劃分網(wǎng)格，選擇的網(wǎng)格單元為20 mm的六面體單元。根據(jù)要求進(jìn)行有限元劃分后，而最終確定出目標(biāo)區(qū)域含有117 260個節(jié)點(diǎn)和102 600個單元格。車架材料和原車架的相一致，且承受的工況約束、載荷也相同。在此基礎(chǔ)上確定出車架的初始網(wǎng)格模型，具體情況如圖3所示。

圖3 車架拓?fù)鋬?yōu)化初始模型

在優(yōu)化過程中輸入相應(yīng)的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化函數(shù)時，應(yīng)用OptiStruct軟件中的自定義函數(shù)功能。根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)置相應(yīng)柔度權(quán)重為0.6，頻率權(quán)重為0.4，彎曲工況權(quán)重0.4，各扭轉(zhuǎn)工況的為0.2。進(jìn)行不斷地迭代處理后確定出優(yōu)化后車架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。分析可知此優(yōu)化車架可同步滿足靜態(tài)多工況剛度和動態(tài)低階固有頻率相關(guān)要求，且車架的橫縱梁位置很明確，對應(yīng)的材料分布均勻性高，結(jié)構(gòu)布局也較好地滿足綜合性能要求。

圖4 車架多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

由圖可知在有限元分析過程中基于該多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化分析方法所得的車架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢，可同時滿足剛度和低階固有頻率相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)車架優(yōu)化目標(biāo)。上述結(jié)果可為其后車架橫梁參數(shù)的設(shè)計(jì)提供支持，對縱橫梁形狀的確定也有指導(dǎo)作用，對類似車架的優(yōu)化有參考意義。

3 車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，基于以上多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，且考慮到車架的應(yīng)用情況，對其細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖5為優(yōu)化后的車架三維模型。

圖5 新車架三維幾何模型

對優(yōu)化前后車架的變化情況進(jìn)行分析可看出，優(yōu)化后車架的前后不等寬，且縱梁為變截面的模式，總體上看表現(xiàn)出“魚腹形”特征。這種結(jié)構(gòu)下可以更好地適應(yīng)不同截面高度上的局部載荷改變情況，且提高了車架應(yīng)力均勻性，實(shí)現(xiàn)一定減重目的。由圖5可知，新車架的第二橫梁為管狀截面形式，且對應(yīng)的后懸架兩個橫梁中設(shè)置了帽形截面橫梁，這樣可以顯著提高車架的前后端強(qiáng)度，使得其抵抗扭轉(zhuǎn)變形的性能提高，而質(zhì)量減輕;在橫梁替代方面，新車架的第三、四橫梁代替了原車架的第三、四以及五、六橫梁，同時改進(jìn)后車架的縱橫梁連接板的縱向尺寸也有所增加，使得支架與縱梁的連接強(qiáng)度提高，應(yīng)力分布更均勻，受力更合理;改進(jìn)后車架部件數(shù)從16降為11個，減重達(dá)到18.1 kg，性能有所提升，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。

分析新車架的應(yīng)力情況，結(jié)果見表4。由表可知各工況下新車架的最大應(yīng)力和應(yīng)力分布都明顯好于原車架的。優(yōu)化后車架在運(yùn)行過程中前輪扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力最大值為344.2 MPa，處于第二橫梁連接連板處，此應(yīng)力最大值也低于相應(yīng)的許用應(yīng)力值。緊急制動工況下應(yīng)力最大值為293.8 MPa，出現(xiàn)在縱梁前板簧支座處，存在一定程度的局部應(yīng)力集中。由表4還可知此工況下的最大應(yīng)力值顯著低于車架材料的屈服極限，因而有較高的結(jié)構(gòu)可靠性，可滿足安全性要求。其他工況下車架的安全系數(shù)都高于2，靜強(qiáng)度在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目的。

表4 新、原車架強(qiáng)度對比

4 結(jié)束語

文中使用拓?fù)鋬?yōu)化對電動貨車車架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，其中確定了合理的優(yōu)化變量，在保證車架結(jié)構(gòu)滿足性能要求下，進(jìn)一步提高了車架的輕量化水平，實(shí)現(xiàn)了電動貨車車架結(jié)構(gòu)的正向開發(fā)設(shè)計(jì)。