货车车架轻量化设计及有限元分析
文章来源：《河南科技》
发布时间：2021-01-04
目前，国外主要采用现代化技术、新型材料及计算机模拟仿真对车架进行轻量化设计；国内货车车架轻量化设计是使用有限元分析软件分析优化前车架的强度和刚度，根据云图找出此车架存在的不足，然后在保证刚度和强度的条件下，以减轻车架质量为目标进行车架尺寸优化和拓扑优化。研究表明，此种用于货车车架轻量化的优化方法合理有效，但在材料方面的优化还需要不断努力。
随着我国经济的快速发展，环境质量变得越来越差，汽车尾气的排放是造成环境质量下降的因素之一。许多实验和实践表明，对汽车进行轻量化设计是降低汽车排放和减少燃油消耗率的有效措施之一［1］。有关研究表明，汽车每减重10%，油耗可降低6%至8%［2］。车架轻量化方面的研究可以通过分析和优化车架的尺寸及结构来进行，车架轻量化能解决因车架本身过重而造成货车动力性和燃油经济性下降的问题。在汽车领域对节能减排较为有效的一种方法就是对汽车进行轻量化研究。
1.1 国外研究现状
国外对汽车轻量化设计方面的研究始于20 世纪80年代。2000 年，本田公司创新地将AFS 技术［3］和单体车身完美结合，研发出一种全铅车身，取得了重量减小47%的效果［4］。2002 年，美国通用公司采用复合材料制造出全复合型车身，相对钢结构减重达60%［5］。Lan在2004年应用ANAYS 软件对某客车车身骨架进行有限的静动态特性计算分析，并用实车实验验证其计算结果的准确性，最后在保证车身骨架强度和刚度满足使用性能的前提下，改变骨架各个零部件的厚度，达到质量最小的目的。综上所述，国外主要采用现代化技术、新型材料及计算机模拟仿真对车架进行轻量化设计。
1.2 国内研究现状
我国开始进行汽车轻量化设计方面的研究较晚。但是，随着汽车领域的不断发展，近年来，我国轻量化技术在汽车上的应用已经取得了进一步的提高。2013 年，中北大学采用有限元分析软件对卡车车架进行结构优化迭代，理论上可使车架轻量化总量达20%。中北大学的赵紫纯对车架进行轻量化设计时，采用UG建立原车架的三维几何模型，然后在Hypermesh 上建立起简化后的原车架的有限元分析模型，然后对车架在相应位置施加载荷，并设置约束条件，验证车架的强度及刚度方面是否满足国家标准，最后得出车架需要优化的区域。通过有限元分析可知，车架的强度及刚度符合国家标准，并且具有很大的轻量化研究潜力。赵紫纯根据有关方面的理论，建立起车架轻量化设计所需的数学模型，最后，他还基于OptiStruct 对车架的尺寸和形状等进行优化设计，优化后的车架比原车架的质量降低了20.11%，实现了轻量化的目标。
在轻量化研究方面，首先采用类比法，在原车架的官网上查阅目前国内外市场上已有的轻型货车的车架类型以及车架
的相关参数，仔细研究，选出一款轻型货车的车架，对所选择的轻型货车车架的强度和刚度进行仔细校核。然后采用文献研究的方法，通过阅读大量有关货车车架轻量化设计及有限元分析的文献，找到此研究课题存在的问题及对此课题的研究所取得的成果。其次，在SolidWorks三维绘图软件中建立优化前车架的三维模型，并且将其模型导入ANSYS 中，原车架模型在满载状态时对弯曲、满载扭转和紧急制动等这几种典型工况下的强度和刚度进行认真分析。
根据分析几何模型所得的相关数据分析原车架的强度和刚度，找出设计较为安全和薄弱的位置，最终得出此车架的分析结果。通过分析结果，对此款轻型货车的车架进行材料和尺寸方面的优化。在刚度和强度满足要求的前提下，以车架的质量最小化为研究目标，然后利用SolidWorks 建立优化后的车架并将其导入ANSYS 软件中，校核优化后的车架强度和刚度在这上述几种典型工况下是否满足相关规定，得到优化设计后的车架模型。最后将优化设计后的车架质量与优化设计前的车架质量进行对比，在满足货车车架强度和刚度的条件下，使车架完成轻量化设计。
3.1 ANSYS软件介绍
ANSYS 软件在有限元分析领域应用非常广泛，并且具有强大的非线性数据分析处理功能。Workbench 是ANSYS 公司自主研究的新一代有限元分析软件，它具有客户化、集成化和参数化的特点。它不仅拥有ANSYS 具备的分析功能，而且能与CAD 和SolidWorks 绘图软件实现有效连接，同时，它还支持内部嵌入CAD 软件，能够实现同步处理。
3.2 车架有限元分析的过程
①优化前的处理过程，包括车架几何模型的建立、简化、网格划分、选择合适的材料以及建立部件之间的约束等内容。目前ANSYS 是一款业内公认的前处理优异的软件。
②求解计算过程，包括选择合适的求解器，并且对求解器进行合理设置。ANSYS软件有时在求解大位移分析时需要将求解器的大位移选项开启。
③优化后的处理过程，通过分析结果，根据位移、应力等结果参数，确定合适的评价标准及准则，对分析结果进行分析评价。
3.3 车架有限元模型的分析处理
车架的有限元分析主要是通过SolidWorks 建立三维车架的几何模型，然后将相应的文件导入ANSYS Work⁃bench 有限元分析软件中，在相应的文件导入Workbench后，在DesignModeler 平台上生成车架三维几何实体。在生成几何体后不考虑铆钉、螺栓等这样的连接部件，如果考虑这些部件，不仅需要施加摩擦、接触及预紧力等非线性内容，而且螺栓、铆钉数目众多，需要简化车架模型。在进行车架强度及刚度的有限元分析时，主要关注纵梁及横梁等部件上的应力。几何处理完成后进入Mechani⁃cal，生成分析模型。生成模型后需要在车架纵梁、连接角钢及横梁之间建立绑定约束，车架各部件之间才能正确传递作用力。随后，将优化前的车架模型进行网格划分，并且设定车架模型的边界条件，然后在典型工况下得出有限元分析的结果，找到车架中可以优化的尺寸和结构。
目前，通常使用SolidWorks 三维绘图软件绘制原车架的三维几何模型，然后将车架模型导入ANSYS 中，原车架模型的分析重在对车架模型简化处理、网格划分、链接单元处理及边界条件等问题进行研究，进一步实现在保证车架刚度和强度的情况下使车架轻量化。
随着数学方面理论及计算机技术的快速发展，现代汽车设计已逐步采用ANSYS 有限元分析软件对整车或部件的结构和尺寸进行优化设计。有限元分析可用于实现分析、优化整车或部件的结构，计算各种工况参数，如刚度、强度等。结构优化设计技术已经成为车架轻量化设计的主要措施，它不仅能节省汽车车架的开发周期，而且能在一定程度上降低汽车设计过程的成本。轻量化设计对减少汽车排放物也具有很大的作用。
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