基于ANSYS Workbench车架的有限元分析和轻量化研究

赵艳梅 郑艳萍

摘 要：本文基于ANSYS Workbench仿真平台，以云南红塔金麒麟、玉麒麟系列卡车车架为研究对象，实现对车架的静力学分析和轻量化研究，为车架的设计和优化提供参考。

关键词：有限元建模；静力学分析；轻量化设计

随着社会对节能减排的要求越来越高，汽车的轻量化已成为汽车领域的重要发展方向之一，而车架是汽车的重要部件之一，约占据着汽车重量的1/10，因此车架便成为汽车轻量化的首要目标。

1 车架的有限元建模

有限元建模是有限元分析过程中的第一个重要步骤，本文采用 ansys Workbench 15.0版本，对云南红塔金麒麟、玉麒麟系列卡车车架进行有限元分析。车架采用的材料为Q345，该车架全长6924mm，轴距3500mm，前端宽835mm，后端宽745mm，由左右2根纵梁和8根横梁组成，是一个典型的边梁式结构。基于相关建模原则和网格划分方法，依次实现了：1车架几何模型的建立-考虑到车架结构的复杂性，为了提高建模效率，本文选用建模功能强大的SolidWorks软件建立几何模型；2单元类型的选择-车架纵、横梁建立为面模型，吊耳结构建立为实体模型，悬架系统采用弹簧单元来模拟，Workbench自动识别后，分别采用SHELL181，SOLID186和COMBIN14三种单元进行模拟；3连接关系的模拟-在Workbench中，纵梁和横梁以及纵梁和吊耳均采用Bonded接触关系，而悬架系统采用弹簧单元模拟板簧；4有限元网格的划分-依据网格划分标准，并结合计算精度和成本，对车架进行了合理的网格划分。通过这一系列过程，建立了车架的有限元模型，为后文的分析打下了良好的基础。

2 车架的静力学分析

有限元法对车架进行静力学分析，可以得到车架在静态载荷下的变形和应力分布情况，并可预知车架的薄弱位置，为车架的设计和优化提供指导和参考。本文选择具有代表性满载弯曲工况，并采用质量点的方式施加基本载荷，动载系数取为2.5。经过详细的统计，得到基本载荷驾驶室和成员共530 kg，动力总成630 kg，货物4000 kg，得出静力分析结果如表1所示。

根据静力分析结果可以看出，车架的强度是足够的，并且强度余量很大。通过有限元分析的具体应力云图和位移图得出，在纵梁和第四根横梁的连接处应力值也是较大的，而在其他地方的应力值都普遍偏小，可以考虑对这些地方的板厚进行适当减少。车架的最大变形为4.58mm，相对于车架总长，这种变形量是非常小的，说明车架的刚度也是足够的。

3 车架的轻量化

3.1 车架优化设计模型

本文所研究的车架模型，在设计初期，纵、横梁的板厚均取为6.5mm，车架的总重量为468.62kg。基于此，本文将采用满载弯曲的计算工况，需要寻求最合适的优化方法，在满足相关性能的前提下，使车架重量最轻。

3.2 优化设计参数选取

设计变量选为车架的板厚，即2根纵梁和8根横梁的板厚，总共10个变量，板厚的变化范围确定在3～10mm；选择车架的最大应力和最大变形作为状态变量。结合满载弯曲的静力计算结果，考虑经验值1.5的安全系数，最大应力的上限设为230MPa，最大变形的上限设为5mm；选用Workbench中的响应曲面优化法，其中实验设计类型选择CCD，响应曲面类型选择Kriging。

3.3 车架轻量化结果

由表2可以看出，在满足车架刚度和强度要求的前提下，车架的材料得到了合理的分布。优化后，车架的重量为390kg，相对于优化前的重量（468.62kg）减轻了16.8%，优化效果明显。本次优化的整个过程，可以为车架的优化设计提供一种思路和方法，为深入进行车架的轻量化奠定了基础。

参考文献：

[1]马钿英，王家林.机械工程结构强度计算有限元基础[M].长春：吉林科学技术出版，1990，78-103.

[2]Ao.Kazuo，Niiyama.Analysis of torsional stiffness share rate of truck frame.Technical Paper Series，1991：18-21.

[3]聶玉明.有限元法在半挂车车架设计中的应用[J].公路交通科技，1990，7（1）：49-53.

[4]郝文化.ANSYS7.0实例分析与应用.北京：清华大学出版社，2004.

[5]陶全心，李著景.结构优化设计方法.北京：清华大学出版社，1985.

作者简介：第一作者赵艳梅，就职于河南化工技师学院；第二作者郑艳萍，就职于郑州大学机械工程学院。