某重型卡車駕駛室前懸連接支架輕量化設計

茍煒偉 馬玉金 郭延威 張磊 楊路

摘 要：駕駛室前懸連接支架是連接駕駛室與駕駛室懸置的重要部件，其結構強度關乎車輛運行及翻轉過程的安全問題。文章利用有限元分析軟件Hyperworks對某重型卡車駕駛室前懸連接支架進行了多工況分析，驗證其結構強度要求；同時采用拓撲優(yōu)化方法，以重量最輕為目標函數(shù)，以結構的靜強度性能為約束條件，進行了優(yōu)化迭代計算，實現(xiàn)了結構的輕量化同時滿足結構強度要求。

關鍵詞：重型卡車；駕駛室前懸；有限元分析；輕量化設計

中圖分類號：U471.1 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-16-03

Abstract： The front suspension bracket of the cab is an important part to support the balance of the cab， its structural strength is related to the safety of vehicle running number and turning process. In this paper， finite element analysis software Hypermesh is used to analyse the cab front suspension bracket of a heavy truck； at the same time， topological optimization method is adopted， and the lightest weight is the objective function， and the static strength performance of the structure is the constraint condition， the light weight of the structure can satisfy the structural strength at the same time.

Keywords： heavy truck； bridge front suspension； finite element analysis； lightweight design

CLC NO.： U471.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-16-03

1 引言

隨著重卡行業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對車輛載貨量、油耗性能越來越重視，對車輛輕量化提出了更高的要求，零部件輕量化水平日益成為產(chǎn)品設計的重要內容和衡量指標。

本文以某重型卡車駕駛室前懸左右連接支架為對象，利用有限元分析軟件Hyperworks對其結構強度進行了多工況分析；依據(jù)分析結果對該零件進行了拓撲優(yōu)化設計，在保證零件強度要求的前提下，優(yōu)化結構造型及材料分布，達到了輕量化設計的目標。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型

左右連接支架作為重型卡車駕駛室前懸與駕駛室連接的關鍵部件，對駕駛室動靜態(tài)支撐、平衡及運行、翻轉有重要的作用。圖1、圖2分別為某重型卡車駕駛室前懸左右連接支架結構，圖3為該連接支架與駕駛室的連接形式，其通過螺栓與駕駛室地板及前圍連接。

左右連接支架材質均為ZG270-500，左連接支架設計重量為8.67kg，右連接支架的設計重量為10.00kg。

2.2 有限元模型的建立

利用Hypermesh軟件對駕駛室前懸左右連接支架建立有限元模型。綜合考慮計算精度及計算規(guī)模，需對連接支架進行前處理，將部分局部特征、影響結構剛度較小的細微結構進行適當?shù)暮喕幚恚缜宄A角、倒角等特征。

1--駕駛室地板 2--駕駛室前懸連接支架（左、右件） 3--駕駛室前懸

該駕駛室前懸左右連接支架為實體結構，采用10節(jié)點四面體單元劃分網(wǎng)格。利用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分，得到如圖4所示左右連接支架有限元模型。其中左連接支架共49609個單元、13151個節(jié)點，右連接支架共57993個單元、15238個節(jié)點。

支架材料為ZG270-500，其屈服強度為270MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

3 有限元分析

考慮駕駛室實際的運行狀態(tài)及載荷情況，對駕駛室前懸及周邊連接件進行各工況下有限元分析計算。

1）各分析工況見表1。

2）本文所述的某重型卡車駕駛室相關參數(shù)見表2。

在Hypermesh軟件中按上述工況添加各向計算載荷及駕駛室參數(shù)，進行各工況下的駕駛室前懸左右連接支架受力分析及安全因子計算，如圖5所示。

利用OptiStruct求解器進行有限元求解，得到前懸左、右連接支架的應力云圖，如圖6、圖7所示。

表3給出了各設計工況下駕駛室前懸左、右支架的安全因子值。

經(jīng)各設計工況、載荷下有限元分析，可以得知：各工況下前懸連接支架的最大應力均小于材料的屈服強度，安全因子均大于1，該結構滿足強度要求。

4 輕量化設計

經(jīng)上述分析，各工況下前懸連接支架具有較高的安全系數(shù)，結構的靜強度儲備充足。因此，可進行結構優(yōu)化，以減輕重量，以下采用拓撲優(yōu)化方法對該支架結構進行輕量化設計。

4.1 數(shù)學模型

考慮以重量最輕為目標函數(shù)，以各設計工況下結構的最大應力不大于270MPa為約束條件，建立帶約束的單目標拓撲優(yōu)化數(shù)學模型，如式（1）所示。

上式中，x表示設計變量，m（x）表示重量，σmax（x）表示各設計工況下結構的最大應力。

4.2 拓撲優(yōu)化

考慮不改變現(xiàn)有結構的裝配關系，同時不與周邊結構產(chǎn)生干涉，以初始設計作為基結構，尋求在初始設計上去除材料，以減輕重量。其中基結構即為拓撲優(yōu)化的設計變量，如圖8所示。

基于前述數(shù)學模型的定義，采用拓撲優(yōu)化算法進行迭代計算。

經(jīng)多輪迭代計算后，得到圖9所示拓撲結構。

4.3 輕量化結構

基于上述拓撲優(yōu)化結構，對基結構進行去材料設計，綜合考慮實際工程制造需求，得到圖10的左右支架輕量化結構。

4.4 輕量化前后對比

表4列舉了駕駛室前懸連接支架輕量化前后的重量及變化。

將輕量化結構進行有限元建模，并在前述設計工況下進行靜強度分析，得到輕量化后支架結構的安全因子，見表5。

4.5 輕量化評估

通過上述計算分析結果可以看出，在受到相同載荷和約束的條件下，輕量化后的駕駛室前懸左右連接支架在各設計工況下的安全因子均大于1，且各工況下最小安全因子由1.33提升至2.32，零件降重28.1%和23.9%，達到了輕量化設計的目標。

5 結論

本文通過建立某重卡車型駕駛室前懸左右連接支架有限元模型，借助Hyperworks進行了多工況靜力學分析和拓撲優(yōu)化。在結構滿足強度要求的同時實現(xiàn)降重20%以上，達到了零部件輕量化設計目的。本文的分析過程及結果為支架類零部件輕量化提供了設計思路，對輕量化設計具有一定的指導意義。

參考文獻

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