本文运用有限元分析手段，解决某重型牵引车在使用过程中出现的车架纵梁及连接板局部断裂情况，通过对车架进行结构分析与优化设计，使车架的失效问题得到有效地改善。通过对优化方法、优化过程的介绍，对车架的设计和结构改进具有一定的指导意义。

有限元分析法是一种在工程分析中经常使用的解决疑难复杂问题的近似数值分析方法，由于其在机械结构强度和刚度分析方面具有比较高的计算精度而得到广泛应用，在材料应力和应变的线性范围研究中更是如此。在汽车设计领域，无论是车身、车架的计算仿真，还是发动机曲轴及传动系统的计算均可以使用该方法。

某重型牵引车在使用过程中，车架纵梁及连接板局部出现断裂情况。如果采用传统试验的方法，一是很难准确地模拟客户的实际使用情况，很难提出准确的改进方案；二是试验费用高，周期较长。

本文采用了目前工业界普遍应用的有限元分析方法进行原因分析及优化改进：

（1）首先采用静、动态分析方法，找到车架纵梁断裂的原因；

（2）利用结构优化方法，对出现断裂的结构以及其他的薄弱环节进行优化改进，以达到安全使用要求；

（3）利用疲劳分析软件对整个车架进行疲劳验证，并对寿命低的部件进行优化改进。

优化分析方法介绍

本项目采用Altair OptiStruct软件，主要通过表1所列的6种典型优化方法进行优化。根据实际情况，本文主要采用拓扑和（自由）形状优化方法来对已产生破坏或有潜在破坏的部件进行优化，以达到提高结构性能的目的。

建立有限元模型

网格单元平均尺寸为10mm，焊接熔核直径为6mm，焊点由面到面连接方式生成，板簧使用Spring单元和RBE2模拟。车架有限元结构如图1所示。

优化分析

1．优化对象

本项目的优化对象主要是已产生破坏或潜在发生破坏的部件，根据优化对象的不同，采用不同的优化方法，但主要是采用拓扑和形状优化方法以及根据工程经验来解决实际的结构优化问题。

2. 优化设置：

（1）优化变量：对于拓扑优化，选择设计空间的单元密度为设计变量；对形状优化来说，选择节点的变动（即模型的改变）为设计变量。

（2）优化约束：约束部件的应力水平。根据疲劳分析结果，对于不同零件的疲劳寿命要求对应的应力水平也不同，从材料的S-N曲线中可以很方便地计算出106次对应的应力极限是255MPa，105次对应的应力极限是310.5MPa，104次对应的应力极限是377MPa。

（3）优化目标：在满足应力水平的基础上，车架质量最小。

图5   Part1拓扑优化对比

3．车架断裂部位分析

通过对车架垂直受力工况、转向轴侧向受力工况、前轴扭转工况侧向制动工况、平滑制动工况和附加质量动载荷工况等工况有限元计算，得出应力集中点和车架实际破坏位置一致（见图2）。

（1）Part1延长尺寸分析

设计方案：根据车架部位的结构特征，选择图3中Part1a和Part1b（Part1a和Part1b分别为车架纵梁与横梁的连接板，纵梁A面为纵梁内侧板面）这两个零件作为设计目标，通过改变这两个零件的结构来降低纵梁边上的高应力。

方案描述：同时延长Part1a和Part1b这两个零件，根据图4中所定位的螺栓位置，选取螺栓孔位置10为延长终端，建立有限元模型，用拓扑优化方法来优化Part1a和Part1b，在保证自身和车架强度的基础上满足质量增加最小的要求。

该拓扑优化方案用来确定车架连接板延长到合适的螺栓孔的位置，通过该优化方案，将车架纵梁和横梁连接板延长到螺栓位置10作为拓扑优化的设计空间，选择将车架纵梁上下翻边的应力作为约束，选择车架连接板体积最小作为优化目标（见图5a和图5b）。

分析：在工况2中位置1零件是实际破坏的位置，此结构是车架横梁，属于重要部件，该零件疲劳寿命不低于106，此处最大应力值是344.8MPa，大于对应的疲劳应力极限值255MPa。

采用DOE优化方法计算所有螺栓位置的应力，当延长车架纵梁和横梁连接件Part1和Part2两个零件到螺栓孔6的位置，车架纵梁翻边应力都下降到220MPa以下，车架纵梁和横梁连接件Part2的应力值也相当低，完全在安全应力范围内，只有Part1的根部应力值较大，为248MPa，接近疲劳极限应力值（±5%），依然属于危险区域。其余点螺栓应力见表2。

（2）Part1自由形状优化

根据Part1延长尺寸分析结论，取Part1a和Part1b延长到螺栓孔位置6的有限元模型作为该部分自由形状优化（Free Shape）的输入模型建立优化模型（见图6）：以车架纵梁翻边和连接件的应力值作为响应约束，Part1a和Part1b的体积最小化为优化目标进行优化，然后适当修改模型，使其满足可制造工艺。

Part1经过自由形状优化后的结构比较复杂，需要对该结构进行必要的调整，以满足该零件的可制造性。经过调整，最终模型如右图7b所示。该模型经过合理的修改，将自由尺寸优化的模型最终修改成可制造模型。Part1a连接件螺栓的根部应力从原来的275.757MPa降低到235.018MPa（见图7），所以该优化方案是合理的。

（3）Part2自由形状优化

在转向轴侧向静态受力工况中位置2零件是实际破坏的位置，此结构是车架横梁，属于重要部件，疲劳寿命不低于106，此处的最大应力值是363.6MPa，对应的应力极限是255MPa，大于疲劳应力极限。

通过对该处结构和位置进行分析，选Optimization里面的Free Shape（自由形状优化）作为优化方案，设置该处的单元优化应力极限值250MPa为约束，选择零件体积最小为优化目标来形貌优化此处结构，降低最大应力值低于疲劳应力极限值。

根据自由形状优化结果可以得出优化后的横梁模型，该模型实际断裂处的应力值为245.302MPa，已经下降到疲劳极限以下。适当修改Part2自由形状优化的模型，使其满足可制造工艺，然后重新验算，得出应力值低于255MPa，该优化方案满足设计要求（见图8）。

3. 验算

以上优化改进方案均是基于转向轴侧向静态受力工况进行的优化和改进。本阶段是将上述4个位置（位置1左侧、右侧，位置2左侧、右侧）的优化改进后的结构组合到一个模型中，然后对更新的模型重新进行7种工况的受力分析，将改进后结构的结果和原模型结果对比，通过对比来考察改进位置的结构强度和改进后可能发生的新的位置产生高应力，并以此判断改进方案合理与否，是否需要重新调整优化方案。

结论

经过验算分析，4个位置的改进方案结构在刚度和强度方面均比原结构有所提高，所作的改进方案也没有对其他部位产生影响，并且将改进方案很快地体现到产品中，通过后续的市场论证。结果证明，失效问题得到了有效解决，因此这4个位置的优化方案对于车架结构的改进是比较合理可取的。