基于ANSYS Workbench的某卡車(chē)車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)

黃立君 萬(wàn)明軍 高志剛

關(guān)鍵詞：輕量化設(shè)計(jì);有限元分析;卡車(chē)車(chē)架;靜力分析

車(chē)架作為車(chē)輛的主要承載部件，一直以來(lái)是車(chē)輛輕量化的主要目標(biāo)之一。但在車(chē)輛行駛過(guò)程中車(chē)架受力十分復(fù)雜，在經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)之后必須保證其仍然具有足夠的強(qiáng)度以及剛度。王霄峰等人介紹了車(chē)架的具體理論與設(shè)計(jì)方法，如車(chē)架性能、參數(shù)設(shè)定、剛度強(qiáng)度的運(yùn)算方式及載荷的確定等，為車(chē)架的設(shè)計(jì)提供了最基本的研究方案。近年來(lái)由于對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，不少學(xué)者對(duì)汽車(chē)輕量化進(jìn)行研究。馬迅、盛勇以車(chē)架總體積最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)車(chē)架進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度和一階扭轉(zhuǎn)頻率等綜合性能方面優(yōu)化，減重12.5%。杜發(fā)榮利用HyperWorks軟件對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)活塞進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在滿(mǎn)足活塞裙部變形穩(wěn)定性的條件下，減重30%。盛建、戴作強(qiáng)對(duì)純電動(dòng)客車(chē)車(chē)架進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化及靜力學(xué)分析，表面在保證車(chē)架整體性能的前提下，車(chē)架質(zhì)量降低5%，力學(xué)性能得到較大程度提升。于志新、曹全德對(duì)車(chē)架進(jìn)行自由模態(tài)分析和靜力分析基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)架進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使得車(chē)架結(jié)構(gòu)性能明提高，剛度提高8%。本文利用AN-SYS Workbench對(duì)某卡車(chē)車(chē)架進(jìn)行靜態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化減少車(chē)架重量的同時(shí)仍然使得車(chē)架滿(mǎn)足強(qiáng)度與剛度的要求。

1車(chē)架有限元模型的建立

本文以某卡車(chē)的車(chē)架為研究對(duì)象，該卡車(chē)的車(chē)架為邊梁式車(chē)架，用SolidWorks建立車(chē)架的三維模型，三維模型建立過(guò)程中忽略圓角和小孔特征以及不重要區(qū)域和細(xì)小結(jié)構(gòu)，其余部分對(duì)車(chē)架進(jìn)行1：1建模，將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中建立車(chē)架的有限元模型，如圖1所示。該車(chē)架全長(zhǎng)4050mm，車(chē)架第1根橫梁與第2根橫梁相距895mm，第2根橫梁與第3根橫梁相距600mm，第3根橫梁與第4根橫梁相距880mm，第4根橫梁與第5根橫梁水平間距為490mm，第5根橫梁與第6根橫梁相距1010mm，車(chē)架前段寬400mm，尾端寬1000mm。

車(chē)架作為—個(gè)裝配體，各零部件之間的接觸關(guān)系使用綁定接觸，采用實(shí)體單元Solidl86來(lái)對(duì)該車(chē)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為20mm，車(chē)架的材料為Q345結(jié)構(gòu)鋼，該材料的密度為7850kg/m3，彈性漠量為2.0e+11N/mm2，泊松比為0.3。

2車(chē)架的評(píng)價(jià)指標(biāo)

在材料力學(xué)中，常用四種強(qiáng)度理論來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)效。本文采用第四強(qiáng)度理論作為結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞的準(zhǔn)則，即認(rèn)為：只要結(jié)構(gòu)任一點(diǎn)的形狀改變比能達(dá)到材料的應(yīng)力極限值，就會(huì)引起結(jié)構(gòu)的塑性流動(dòng)。

3車(chē)架在典型工況下的靜力分析

3.1計(jì)算工況和基本載荷的選取

汽車(chē)在路面行駛過(guò)程時(shí)，常常會(huì)受到不同的載荷作用。如貨物、發(fā)動(dòng)機(jī)的重力以及制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力等等，在這些力單獨(dú)或同時(shí)作用下會(huì)使車(chē)架發(fā)生各種變形，所以車(chē)架在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須使車(chē)架有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)保證車(chē)輛的安全。本文在進(jìn)行靜力分析時(shí)選取了車(chē)架在滿(mǎn)載彎曲、滿(mǎn)載彎扭以及緊急制動(dòng)這三種工況來(lái)校核車(chē)架是否滿(mǎn)足要求。

滿(mǎn)載彎曲工況：該工況指的是車(chē)輛在裝滿(mǎn)貨物、乘客以及燃料所有輪胎同時(shí)著地的情況下在水平良好的路面上進(jìn)行勻速行駛或者靜止的情況。車(chē)架變形以彎曲變形和彎曲應(yīng)力為主，對(duì)車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核時(shí)，滿(mǎn)載彎曲工況最大動(dòng)載荷系數(shù)不宜超過(guò)2.5。

滿(mǎn)載彎扭工況：指汽車(chē)在裝滿(mǎn)貨物、乘客、燃料的情況下通過(guò)不平路面導(dǎo)致汽車(chē)某個(gè)或幾個(gè)車(chē)輪出現(xiàn)抬高或者凹陷的情況。車(chē)架出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，該工況下最大動(dòng)載系數(shù)不超過(guò)1.3。

緊急制動(dòng)工況：指汽車(chē)行駛在良好路面下，遇見(jiàn)突發(fā)情況需要緊急剎車(chē)，此時(shí)汽車(chē)在慣性的作用之下會(huì)使車(chē)架同時(shí)受到與汽車(chē)行駛方向相反的慣性力作用。該工況下動(dòng)載系數(shù)取1.5。

對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜力分析之前，要對(duì)車(chē)架基本載荷的取值進(jìn)行確定，車(chē)架的基本載荷共有三種：駕駛室和乘客、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成以及貨物，如下表1列出了本文所研究車(chē)架的基本載荷的取值。

3.2各工況下的靜力分析

3.2.1滿(mǎn)載彎曲工況

該工況邊界條件如表2所示，圖2、圖3為車(chē)架在該工況下的變形與應(yīng)力分布云圖。計(jì)算結(jié)果顯示，車(chē)架的最大變形量為1.29mm，最大變形位置在第3根橫梁與第4根橫梁之間縱梁上，車(chē)架的最大應(yīng)力為94MPa，小于材料的許用應(yīng)力345MPa，最大應(yīng)力位置在第2根橫梁附近，相比于車(chē)架的整體尺寸，車(chē)架的變形量在一個(gè)安全的范圍，因此符合剛度要求。

3.2.2滿(mǎn)載彎扭工況

該工況邊界條件如表3所示，圖4、圖5為車(chē)架在該工況下的變形與應(yīng)力分布云圖。計(jì)算結(jié)果顯示，車(chē)架的最大變形量為3.58mm，最大變形位置在第3根橫梁附近，車(chē)架的最大應(yīng)力為180MPa，小于材料的許用應(yīng)力345MPa，最大應(yīng)力位置在第2根橫梁附近，相比于車(chē)架的整體尺寸，車(chē)架的變形量在一個(gè)安全的范圍，因此符合剛度要求。

3.2.3緊急制動(dòng)工況

該工況邊界條件如表4所示，在該約束條件下同時(shí)施加25m/s2的減加速度來(lái)模擬車(chē)輛的緊急制動(dòng)。如圖6、圖7為車(chē)架在該工況下的變形與應(yīng)力分布云圖。計(jì)算結(jié)果顯示，車(chē)架的最大變形量為1.31mm，最大變形位置在第3根橫梁與第4根橫梁之間的縱梁上，車(chē)架的最大應(yīng)力為103MPa，小于材料的許用應(yīng)力345MPa，最大應(yīng)力位置在第2根橫梁附近，相比于車(chē)架的整體尺寸，車(chē)架的變形量在一個(gè)安全的范圍，因此符合剛度要求。

4車(chē)架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

在ANSYS Workbench中選擇Shape Optimization模塊進(jìn)行車(chē)架的拓?fù)鋬?yōu)化在分析模型的選擇上仍采用靜力分析時(shí)使用的簡(jiǎn)化模型，車(chē)架作為一個(gè)裝配體，各零部件之間的接觸關(guān)系使用綁定接觸，采用實(shí)體單元Solidl86來(lái)對(duì)車(chē)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為20mm，車(chē)架的材料仍設(shè)置為Q345結(jié)構(gòu)鋼，該材料的密度為7850kg/m3，彈性模量為2.0e+llN/mm2，泊松比為0.3。