載貨汽車車架輕量化設計

孫小男，羅 巍，唐 軍

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

汽車輕量化設計是當下汽車發展的重要趨勢，在能源危機與環境保護的大背景下，讓汽車在保證強度的同時，更輕、更省油，可以有效地減少能源損耗[1]。汽車輕量化主要從結構設計、選用新型材料以及優化工藝三方面入手，而合理的結構設計是最為直接簡便的輕量化方法。汽車上的零部件種類繁多，其中車架是整個汽車的基體，用于支撐駕駛室、發動機、變速箱、車橋、傳動軸、貨箱和控制系統等相關零部件，并承受來自汽車內外的各種載荷，保證汽車的行駛安全。汽車車架的總重量占整車重量很大的比例，將車架進行輕量化設計對汽車整車輕量化具有重要意義。

1 載貨汽車車架有限元分析

1.1 載貨汽車車架三維實體模型建立

一般載貨汽車車架整體形式呈梯形，由兩根鏡面對稱且平行的縱梁和若干根橫梁組成[2]。車架縱梁由鋼板一次沖壓成型，多數斷面呈槽型，既可以減輕車架重量，還可以保證車架強度；橫梁也是沖壓形成件，其形狀不一。縱梁和橫梁之間通過鉚接的方式連接在一起。縱梁開口朝內，前橫梁開口朝后，后橫梁開口朝前，車架整體呈梯形，為前窄后寬的形式[3]。車架主要零部件的尺寸參數見表1。依據尺寸參數建立車架三維實體模型見圖1。

圖1 載貨汽車車架總成三維模型

表1 載貨汽車車架零部件尺寸/mm

1.2 載貨汽車車架有限元實體模型導入

先將車架的SOLIDWORKS模型保存為.x_t格式的文檔，以便有限元軟件讀取[4]。打開ANSYS 17.0的Workbench工作界面，首先雙擊Static Structural選項建立一個靜態結構分析模塊A，然后右擊Geometry選項導入修改好格式的車架模型文檔，再雙擊Geometry選項進入Design Modeler界面，最后點擊Generate選項即生成車架有限元實體模型[3]。車架的有限元實體模型見圖2。

圖2 載貨汽車車架有限元實體模型

模型導入成功后，關閉Design Modeler界面，雙擊工具卡中的Model選項，進入Mechanical界面。單擊Mesh選項進行網格劃分設置，在Element Size欄輸入30 mm，即設置網格尺寸為30 mm，然后點擊Update選項自動劃分網格，整體網格圖見圖3。

圖3 載貨汽車車架整體網格劃分

車架劃分網格后，共計有節點數82 556個，網格數37 950個。本次網格質量情況良好，具備進行后續優化設計的前提。

1.3 載貨汽車車架材料參數

載貨汽車載重量為6 t，屬于輕型載貨汽車。其車架零部件所用的材料有三種，分別為汽車專用大梁鋼510 L，球墨鑄鐵QT450-10，鑄鋼ZG310-570[5]。車架各零部件所用材料及性能參數見表2。

表2 載貨汽車車架各零部件所用材料及性能參數

1.4 載荷計算及約束條件

1.4.1 滿載彎曲工況

（1）載荷設置

載貨汽車載重量為6 t，滿載情況下車重加載重量總重約為10 t，載荷作用面為左右縱梁的上翼面，根據力和壓力的關系式[6]計算得到壓強為 186 567 Pa。加載時在Mechanical界面中點擊Static Structural選項，然后點擊Loads→Pressure設置載荷參數，在Magnitude欄輸入載荷數值186 567 Pa，加載的效果見圖4。

圖4 滿載彎曲工況加載效果

（2）邊界條件設置

根據車架在載貨汽車上的安裝位置，選擇限制縱梁上的八個彈簧支架的接觸面，在Mechanical界面中點擊Supports→Fixed Supports選擇限制面，邊界條件設置見圖5。

圖5 滿載彎曲工況邊界條件設置

1.4.2 滿載扭轉工況

（1）載荷設置

滿載扭轉工況與滿載彎曲工況有所不同，需先在Workbench工作主界面中新建一個靜態結構分析模塊B，拖動模塊A中的Geometry選項直接復制模塊A的三維模型到模塊B，然后劃分同前文一致的網格，載荷設置同滿載彎曲工況設置一致。

（2）邊界條件設置

滿載扭轉工況是模擬汽車在崎嶇的路面上行駛時，一個車輪被抬起不接觸地面的狀態，選擇載貨汽車右前輪離地的情況作為研究工況。邊界條件設置見圖6。

圖6 滿載扭轉工況邊界條件設置

1.5 載貨汽車車架有限元模擬分析結果

1.5.1 滿載彎曲工況

通過有限元分析得到車架在滿載彎曲工況下的形變云圖見圖7，應力云圖見圖8。

圖7 車架滿載彎曲工況下的形變云圖

圖8 車架滿載彎曲工況下的應力云圖

由圖7可得，車架在滿載彎曲工況下的最大形變量為0.908 75 mm，最大形變量產生位置為左、右縱梁前端的上翼面處；由圖8可得，車架在滿載彎曲工況下的最大應力為207.3 MPa，最大應力點在左、右縱梁靠近橫梁2附近。

1.5.2 滿載扭轉工況

通過有限元分析得到車架在滿載扭轉工況下的形變云圖見圖9，應力云圖見圖10。

圖9 車架滿載扭轉工況下的形變云圖

圖10 車架滿載扭轉工況下的應力云圖

由圖9可得，車架在滿載扭轉工況下的最大形變量為7.094 9 mm，最大形變量產生位置為右縱梁前端的上翼面；由圖10可得，車架在扭轉彎曲工況下的最大應力為292.74 MPa，最大應力點在右縱梁靠近橫梁3附近。

綜合兩種工況可以得出：在ANSYS有限元分析環境中，車架在滿載情況下受到的最大應力為292.74 MPa，且無論是彎曲工況還是扭轉工況，最大應力點均在縱梁與橫梁的接觸點附近。

2 載貨汽車車架輕量化設計

通過有限元分析得到載貨汽車在滿載情況下，車架所受的最大應力為292.74 MPa，而縱梁和橫梁使用的材料均為汽車專用大梁鋼510 L，其抗拉強度為5.1×102MPa，遠大于車架受到的最大應力，表明車架在材料用量方面存在較大的浪費，即車架在結構設計上還存在輕量化空間[7]。從增加減重孔的角度進行車架輕量化優化方案見表3。

表3 車架零部件優化方案

2.1 優化后車架三維模型的建立

優化模型建立后進行車架總成的裝配，裝配模型見圖11。

圖11 優化后的車架總成三維模型

利用ANSYS軟件自帶的零部件材料性能查閱功能[8]，車架各零部件優化前后重量對比見表4。根據數據對比可得：優化方案總共使車架總成重量減少了44.963 kg，減重比例約為8.4%。

表4 車架優化前后重量對比

2.2 優化后車架有限元模擬

2.2.1 滿載彎曲工況

優化后的車架在滿載彎曲工況下的形變云圖見圖12，應力云圖見圖13。

圖12 優化車架滿載彎曲工況下的形變云圖

圖13 優化車架滿載彎曲工況下的應力云圖

由圖12可得，車架在滿載彎曲工況下的最大形變量為1.1579 mm，最大形變量產生位置為左、右縱梁前端的上翼面處；由圖13可得，車架在滿載彎曲工況下的最大應力為177.86 MPa，最大應力點在左、右縱梁靠近橫梁2附近。

2.2.2 滿載扭轉工況

優化后的車架在滿載扭轉工況下的形變云圖見圖14，應力云圖見圖15。

圖14 優化車架滿載扭轉工況下的形變云圖

圖15 優化車架滿載扭轉工況下的應力云圖

由圖14可得，優化后的車架在滿載扭轉工況下的最大形變量為7.674 9 mm，最大形變量產生位置為右縱梁前端的上翼面；由圖15可得，車架在扭轉彎曲工況下的最大應力為315.67 MPa，最大應力點在右縱梁靠近橫梁3附近。

綜合兩種工況看，在車架上增設減重孔后，車架在滿載扭轉工況下的最大應力有所增大，但仍然小于材料的強度極限，足以滿足實際使用；同時增設減重孔后，車架在正常滿載行駛工況（滿載彎曲工況）下的最大應力由207.3 MPa減小為177.86 MPa， 使得載貨汽車的使用條件得到改善。

3 結語

（1）所建車架模型對許多零部件的細節進行了簡化，與真實模型存在差異，而且汽車運行工況只選擇了滿載彎曲和扭轉兩種工況，實際中還存在其他許多工況，比如加速工況、振動工況等，后續研究中可進行進一步深入與完善。（2）車架輕量化方案除了增設減重孔外還有許多其他方法，比如選用新型的材料、重新設計零部件的空間布局及形狀等。