車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法的探究

東鑫淵 王陽陽

摘要：車架結(jié)構(gòu)主要是通過鉚接或焊接連接，由于存在大量的節(jié)點連接，因此會產(chǎn)生很多結(jié)構(gòu)問題。這些問題主要集中在車架結(jié)構(gòu)的強度和剛度上，造成整車結(jié)構(gòu)的安全性和整體的使用性能降低。所以，在車架結(jié)構(gòu)的最初設計階段，通過結(jié)構(gòu)調(diào)整，優(yōu)化和保證其整體性，改善車架力學特性并提高整車性能特點是關鍵。為了改善車架的性能，結(jié)構(gòu)構(gòu)造中應保持整體性，避免大量使用焊接和鉚接連接。因此，提出最小量分割法應用在車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計這一基本思路。

關鍵詞：車架結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設計；最小量分割法

本文主要研究目的是改善車架的性能，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)造中應用的整體性，避免大量使用焊接和鉚接連接。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出最小量分割法應用在車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計這一基本思路上。最小量分割核心思想是找到車架結(jié)構(gòu)中的小應力區(qū)域，在此區(qū)域進行車架結(jié)構(gòu)的分割與連接，保證車架結(jié)構(gòu)的整體特性和良好的受力特性。

現(xiàn)存車架設計結(jié)構(gòu)缺陷分析

據(jù)統(tǒng)計，有60%～80%汽車車架結(jié)構(gòu)是一體化設計，即車架的外殼結(jié)構(gòu)、主車架結(jié)構(gòu)和承載梁一體化。對汽車結(jié)構(gòu)進行沖壓作業(yè)時，鋼板被沖壓成設計階段對應的形狀，然后將壓制的各種槽鋼、梁結(jié)構(gòu)、鈑金結(jié)構(gòu)等焊接或鉚接成剛性構(gòu)件，組成一個整體車架結(jié)構(gòu)。另一種車架結(jié)構(gòu)是由用很多鋼管焊接成一個框架，在框架上安裝其余部件[1]。

根據(jù)上述車架結(jié)構(gòu)的形成可知，其主要結(jié)構(gòu)均通過焊接工藝實現(xiàn)。因此必然會造成車架結(jié)構(gòu)存在較大殘余變形和殘余應力，且焊縫處的裂紋、雜質(zhì)、咬邊等問題會導致結(jié)構(gòu)強度降低，影響車架結(jié)構(gòu)安全性等問題。

最小量分割法的思路分析

車架結(jié)構(gòu)在設計制造中主要應用焊接工藝，存在大量焊縫連接問題。為改善車架綜合特性，提出一種最小量分割法設計思路，避免車架結(jié)構(gòu)上存在較多的連接節(jié)點，減少節(jié)點可以降低結(jié)構(gòu)的累積誤差，保證結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

最小量分割法的基本設計思想是根據(jù)車架結(jié)構(gòu)的加工方式和裝配要求所必須進行的最少次數(shù)的分割，分割次數(shù)的減少可避免過多的焊接連接，提高車架的整體性[2]。因此，車架結(jié)構(gòu)在設計過程中的核心思路是找到結(jié)構(gòu)主體的小應力區(qū)域，并對該區(qū)域進行結(jié)構(gòu)分析，在合理的位置對車架進行分割，分割的區(qū)域分別進行構(gòu)造連接，最后將各區(qū)域焊接在一起形成完整的車架結(jié)構(gòu)。

以大梁式車架結(jié)構(gòu)為例分析最小量分割法的應用

1.車架優(yōu)化設計的基本原理

現(xiàn)有的車架結(jié)構(gòu)主要是將橫梁焊接在縱梁上，采用元件“疊加”的方式形成。本文對車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的基本思想是“減”，將設計對象看作一個有機整體，一般為規(guī)則形狀的長方體，在這個長方體上布置出各個模塊單元，通過這些模塊單元與車架各系統(tǒng)進行連接。這些系統(tǒng)主要指的是行走系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和發(fā)動機結(jié)構(gòu)的布置方式位置等。應用ANSYS有限元軟件對主體結(jié)構(gòu)進行有限元計算，分析出主體車架結(jié)構(gòu)在各使用工況和荷載下的應力分布和危險截面位置。根據(jù)應力分析找出“減”區(qū)域，即將應力分布較小的區(qū)域切除，此切除空間作為其他模塊布置，大應力區(qū)域保留（或適當?shù)那谐c添補）。同時通過參數(shù)化的設計方法控制各個模塊空間的尺寸。

通過上述操作初步完成車架結(jié)構(gòu)的布置，然后再利用ANSYS進行荷載分析，并找出小應力區(qū)域，再次切除該區(qū)域，通過上述多次的有限元分析和切除，不斷迭代，既可保證力學性能要求外也可使車架結(jié)構(gòu)輕量化。上述原理和思路就是最小量分割法，可以防止各模塊通過大量焊接、鉚接連接在車架上，破壞車輛的強度剛度和整體性[3]。

2.車架基本結(jié)構(gòu)和有限元模型建立

以26t貨車的大梁式車架為例，其外輪廓尺寸為8000mm×600mm×250mm。車架的有限元模型簡化為一塊方形板，并進行各系統(tǒng)和模塊的位置分布。將應力分布較小的區(qū)域切除，最后對結(jié)構(gòu)進行多次迭代運算來實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設計方案。方形車架簡化圖和有限元模型如圖1所示。

3.車架小應力區(qū)域切除方案

基于小應力區(qū)域減法的思想，同時考慮到車架的彎曲變形，切除車架上各個分段區(qū)域內(nèi)的小應力區(qū)域，形成具有橫縱梁的車架。車架橫梁的幾何位置通過上述分析結(jié)果來確定，幾何尺寸根據(jù)各自區(qū)域最大應力的大小確定。通過切除后形成的橫梁的位置尺寸和幾何尺寸來體現(xiàn)切除區(qū)域的大小和位置[4]。圖2所示為車架小應力切除方案及對應的ANSYS模型。

4.施加的載荷與約束分析

（1）載荷分析 車架的靜載荷一般以力荷載和應力分布荷載這兩種情況出現(xiàn)。在汽車制動中產(chǎn)生的荷載以應力荷載、角加速度荷載和力荷載這三種情況出現(xiàn)。離心荷載除了力荷載和應力荷載以外，還表現(xiàn)為角速度荷載[5]。表1為荷載數(shù)據(jù)的具體分布情況。研究中，靜載荷的表示是在結(jié)構(gòu)上施加的應力荷載δ1和δ2，制動荷載的表示是指結(jié)構(gòu)上的等效加速度ae；離心載荷的表示是指結(jié)構(gòu)上的等效角速度ωe。

（2）約束分析 利用有限元分析車架結(jié)構(gòu)時，通常將全約束施加在車橋與車架連接的節(jié)點位置。由于在縱梁結(jié)構(gòu)方向上一般會設置一定長度的鋼板彈簧作為減振結(jié)構(gòu)，所以在分析此部分車架梁產(chǎn)生的位移形變時，主要沿著豎直方向分析。此外，一般車架結(jié)構(gòu)分析要對位移施加全約束，主要原因是車架在結(jié)構(gòu)設計中不考慮彈性元件[5]。因此，根據(jù)車架在靜態(tài)、轉(zhuǎn)彎、制動、不對稱這四種工況下的約束和荷載分布，對車架結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

5.最小量分割后車架性能分析

車架在汽車停車、行駛、轉(zhuǎn)彎及制動四種工況下的ANSYS參數(shù)化分析可得到車架的應力分布情況，將小應力區(qū)域切除，大應力區(qū)域保留。不斷進行力學特性分析及性能迭代，提高結(jié)構(gòu)的強度剛度和整體性的性能要求。四種工況的分析結(jié)果如圖3所示。

本文對車架在小應力區(qū)域分割后的性能分析主要原因有兩點：一是保證車架結(jié)構(gòu)在分析校核計算中各應力區(qū)域單元和最大的變形量均在安全范圍內(nèi)；二是檢驗各區(qū)域的最大應力點的位置是否與切割前車架上各區(qū)域的最大應力點的位置一致，不會因為切割導致大應力區(qū)域的突變，以此來證明此次切割位置的正確性。

從ANSYS分析可知，對比車架在切割前后，各分割區(qū)域的最大應力點和最危險截面位置基本保持一致，切割的方案正確。四種工況下的最大位移均很小，滿足車輛使用的允許范圍，這說明車架的剛度滿足設計要求。根據(jù)ANSYS的應力分布云圖和相關仿真參數(shù)，得到最大應力值和具體分布位置，且最大應力小于最大屈服強度，說明車架強度滿足設計要求。此外，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)車架的表面通常是最大應力分布的主要位置，而車架內(nèi)部應力分布一般較小，這符合結(jié)構(gòu)設計的基本要求。

結(jié)語

本文通過以大梁式車架結(jié)構(gòu)模型為例進行設計分析，利用ANSYS有限元得到模型的應力分布情況。根據(jù)最小量分割法的基本應用原理對小應力區(qū)域進行多次切除和迭代，既保證了車架結(jié)構(gòu)的綜合力學特性，又實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化設計。

根據(jù)加工制造與裝配工藝要求，在始終處于小應力的區(qū)域進行最小量的分割。相比較而言，傳統(tǒng)的設計制造中將各模塊區(qū)域單元通過焊接或鉚接的方式連接在車架上，實現(xiàn)了保證車架結(jié)構(gòu)的強度剛度和整體性以外，又滿足最少連接點的制造工藝的要求，實現(xiàn)了綜合力學性能較強的車架結(jié)構(gòu)的設計方法，體現(xiàn)了這種車架結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的新思路和整體方案設計的優(yōu)點。

參考文獻：

[1] 寧磊.基于最小分割車架結(jié)構(gòu)的設計[D].西安：西安建筑科技大學，2014.

[2] 李高尚.汽車前副車架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計及試制[D].長春：吉林大學，2020.

[3] 顧方秋，蘇小平.某半掛車車架性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].重慶理工大學學報，2022，36（7）.

[4] 朱訓棟，許鑫. 某型三輪汽車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].機械研究與應用，2020，33（3）：122-124.

[5] 寧磊，梁乾. 基于“最少量連接”的車架設計方法的探究[J].汽車科技，2019（6）：38-41.