貨車車架輕量化設計及有限元分析

武守輝 查小江 苗宇 馬東旺 潘玉龍

摘 要：目前，國外主要采用現代化技術、新型材料及計算機模擬仿真對車架進行輕量化設計;國內貨車車架輕量化設計是使用有限元分析軟件分析優化前車架的強度和剛度，根據云圖找出此車架存在的不足，然后在保證剛度和強度的條件下，以減輕車架質量為目標進行車架尺寸優化和拓撲優化。研究表明，此種用于貨車車架輕量化的優化方法合理有效，但在材料方面的優化還需要不斷努力。

關鍵詞：貨車車架;輕量化;有限元分析

中圖分類號：U463.32文獻標識碼：A文章編號：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

隨著我國經濟的快速發展，環境質量變得越來越差，汽車尾氣的排放是造成環境質量下降的因素之一。許多實驗和實踐表明，對汽車進行輕量化設計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分析和優化車架的尺寸及結構來進行，車架輕量化能解決因車架本身過重而造成貨車動力性和燃油經濟性下降的問題。在汽車領域對節能減排較為有效的一種方法就是對汽車進行輕量化研究。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外對汽車輕量化設計方面的研究始于20世紀80年代。2000年，本田公司創新地將AFS技術[3]和單體車身完美結合，研發出一種全鉛車身，取得了重量減小47%的效果[4]。2002年，美國通用公司采用復合材料制造出全復合型車身，相對鋼結構減重達60%[5]。Lan在2004年應用ANAYS軟件對某客車車身骨架進行有限的靜動態特性計算分析，并用實車實驗驗證其計算結果的準確性，最后在保證車身骨架強度和剛度滿足使用性能的前提下，改變骨架各個零部件的厚度，達到質量最小的目的。綜上所述，國外主要采用現代化技術、新型材料及計算機模擬仿真對車架進行輕量化設計。

1.2 國內研究現狀

我國開始進行汽車輕量化設計方面的研究較晚。但是，隨著汽車領域的不斷發展，近年來，我國輕量化技術在汽車上的應用已經取得了進一步的提高。2013年，中北大學采用有限元分析軟件對卡車車架進行結構優化迭代，理論上可使車架輕量化總量達20%。中北大學的趙紫純對車架進行輕量化設計時，采用UG建立原車架的三維幾何模型，然后在Hypermesh上建立起簡化后的原車架的有限元分析模型，然后對車架在相應位置施加載荷，并設置約束條件，驗證車架的強度及剛度方面是否滿足國家標準，最后得出車架需要優化的區域。通過有限元分析可知，車架的強度及剛度符合國家標準，并且具有很大的輕量化研究潛力。趙紫純根據有關方面的理論，建立起車架輕量化設計所需的數學模型，最后，他還基于OptiStruct對車架的尺寸和形狀等進行優化設計，優化后的車架比原車架的質量降低了20.11%，實現了輕量化的目標。

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，在原車架的官網上查閱目前國內外市場上已有的輕型貨車的車架類型以及車架的相關參數，仔細研究，選出一款輕型貨車的車架，對所選擇的輕型貨車車架的強度和剛度進行仔細校核。然后采用文獻研究的方法，通過閱讀大量有關貨車車架輕量化設計及有限元分析的文獻，找到此研究課題存在的問題及對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化前車架的三維模型，并且將其模型導入ANSYS中，原車架模型在滿載狀態時對彎曲、滿載扭轉和緊急制動等這幾種典型工況下的強度和剛度進行認真分析。

根據分析幾何模型所得的相關數據分析原車架的強度和剛度，找出設計較為安全和薄弱的位置，最終得出此車架的分析結果。通過分析結果，對此款輕型貨車的車架進行材料和尺寸方面的優化。在剛度和強度滿足要求的前提下，以車架的質量最小化為研究目標，然后利用SolidWorks建立優化后的車架并將其導入ANSYS軟件中，校核優化后的車架強度和剛度在這上述幾種典型工況下是否滿足相關規定，得到優化設計后的車架模型。最后將優化設計后的車架質量與優化設計前的車架質量進行對比，在滿足貨車車架強度和剛度的條件下，使車架完成輕量化設計。

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域應用非常廣泛，并且具有強大的非線性數據分析處理功能。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、集成化和參數化的特點。它不僅擁有ANSYS具備的分析功能，而且能與CAD和SolidWorks繪圖軟件實現有效連接，同時，它還支持內部嵌入CAD軟件，能夠實現同步處理。

3.2 車架有限元分析的過程

①優化前的處理過程，包括車架幾何模型的建立、簡化、網格劃分、選擇合適的材料以及建立部件之間的約束等內容。目前ANSYS是一款業內公認的前處理優異的軟件。

②求解計算過程，包括選擇合適的求解器，并且對求解器進行合理設置。ANSYS軟件有時在求解大位移分析時需要將求解器的大位移選項開啟。

③優化后的處理過程，通過分析結果，根據位移、應力等結果參數，確定合適的評價標準及準則，對分析結果進行分析評價。

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SolidWorks建立三維車架的幾何模型，然后將相應的文件導入ANSYS Workbench有限元分析軟件中，在相應的文件導入Workbench后，在DesignModeler平臺上生成車架三維幾何實體。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、接觸及預緊力等非線性內容，而且螺栓、鉚釘數目眾多，需要簡化車架模型。在進行車架強度及剛度的有限元分析時，主要關注縱梁及橫梁等部件上的應力。幾何處理完成后進入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，將優化前的車架模型進行網格劃分，并且設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果，找到車架中可以優化的尺寸和結構。

4 輕量化技術的發展趨勢

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，然后將車架模型導入ANSYS中，原車架模型的分析重在對車架模型簡化處理、網格劃分、鏈接單元處理及邊界條件等問題進行研究，進一步實現在保證車架剛度和強度的情況下使車架輕量化。

隨著數學方面理論及計算機技術的快速發展，現代汽車設計已逐步采用ANSYS有限元分析軟件對整車或部件的結構和尺寸進行優化設計。有限元分析可用于實現分析、優化整車或部件的結構，計算各種工況參數，如剛度、強度等。結構優化設計技術已經成為車架輕量化設計的主要措施，它不僅能節省汽車車架的開發周期，而且能在一定程度上降低汽車設計過程的成本。輕量化設計對減少汽車排放物也具有很大的作用。

參考文獻：

[1]朱曉鵬，張紀鵬，程聯軍，等.基于ANSYS Workbench的某輕型貨車車架輕量化設計[J].青島大學學報，2014（3）：70-76.

[2]Benedyk J C. Light metals in automotive applications[J]. Light Mental Age，2000（1）：34-35.

[3]林秉華.最新汽車設計實用手冊[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2005.

[4]張潤生.車架剛度及強度的有限元分析[J].拖拉機與農用運輸車，2007（4）：13-17.

[5]孫根柱.基于Hyperworks的半掛車車架有限元分析和輕量化研究[D].青島：青島理工大學，2010.