某重型卡车驾驶室前悬连接支架轻量化设计

苟炜伟 马玉金 郭延威 张磊 杨路

摘 要：驾驶室前悬连接支架是连接驾驶室与驾驶室悬置的重要部件，其结构强度关乎车辆运行及翻转过程的安全问题。文章利用有限元分析软件Hyperworks对某重型卡车驾驶室前悬连接支架进行了多工况分析，验证其结构强度要求；同时采用拓扑优化方法，以重量最轻为目标函数，以结构的静强度性能为约束条件，进行了优化迭代计算，实现了结构的轻量化同时满足结构强度要求。

关键词：重型卡车；驾驶室前悬；有限元分析；轻量化设计

中图分类号：U471.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-16-03

Abstract： The front suspension bracket of the cab is an important part to support the balance of the cab， its structural strength is related to the safety of vehicle running number and turning process. In this paper， finite element analysis software Hypermesh is used to analyse the cab front suspension bracket of a heavy truck； at the same time， topological optimization method is adopted， and the lightest weight is the objective function， and the static strength performance of the structure is the constraint condition， the light weight of the structure can satisfy the structural strength at the same time.

Keywords： heavy truck； bridge front suspension； finite element analysis； lightweight design

CLC NO.： U471.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-16-03

1 引言

随着重卡行业的不断发展，用户对车辆载货量、油耗性能越来越重视，对车辆轻量化提出了更高的要求，零部件轻量化水平日益成为产品设计的重要内容和衡量指标。

本文以某重型卡车驾驶室前悬左右连接支架为对象，利用有限元分析软件Hyperworks对其结构强度进行了多工况分析；依据分析结果对该零件进行了拓扑优化设计，在保证零件强度要求的前提下，优化结构造型及材料分布，达到了轻量化设计的目标。

2 有限元模型建立

2.1 几何模型

左右连接支架作为重型卡车驾驶室前悬与驾驶室连接的关键部件，对驾驶室动静态支撑、平衡及运行、翻转有重要的作用。图1、图2分别为某重型卡车驾驶室前悬左右连接支架结构，图3为该连接支架与驾驶室的连接形式，其通过螺栓与驾驶室地板及前围连接。

左右连接支架材质均为ZG270-500，左连接支架设计重量为8.67kg，右连接支架的设计重量为10.00kg。

2.2 有限元模型的建立

利用Hypermesh软件对驾驶室前悬左右连接支架建立有限元模型。综合考虑计算精度及计算规模，需对连接支架进行前处理，将部分局部特征、影响结构刚度较小的细微结构进行适当的简化处理，如清除小圆角、倒角等特征。

1--驾驶室地板 2--驾驶室前悬连接支架（左、右件） 3--驾驶室前悬

该驾驶室前悬左右连接支架为实体结构，采用10节点四面体单元划分网格。利用Hypermesh软件进行网格划分，得到如图4所示左右连接支架有限元模型。其中左连接支架共49609个单元、13151个节点，右连接支架共57993个单元、15238个节点。

支架材料为ZG270-500，其屈服强度为270MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

3 有限元分析

考虑駕驶室实际的运行状态及载荷情况，对驾驶室前悬及周边连接件进行各工况下有限元分析计算。

1）各分析工况见表1。

2）本文所述的某重型卡车驾驶室相关参数见表2。

在Hypermesh软件中按上述工况添加各向计算载荷及驾驶室参数，进行各工况下的驾驶室前悬左右连接支架受力分析及安全因子计算，如图5所示。

利用OptiStruct求解器进行有限元求解，得到前悬左、右连接支架的应力云图，如图6、图7所示。

表3给出了各设计工况下驾驶室前悬左、右支架的安全因子值。

经各设计工况、载荷下有限元分析，可以得知：各工况下前悬连接支架的最大应力均小于材料的屈服强度，安全因子均大于1，该结构满足强度要求。

4 轻量化设计

经上述分析，各工况下前悬连接支架具有较高的安全系数，结构的静强度储备充足。因此，可进行结构优化，以减轻重量，以下采用拓扑优化方法对该支架结构进行轻量化设计。

4.1 数学模型

考虑以重量最轻为目标函数，以各设计工况下结构的最大应力不大于270MPa为约束条件，建立带约束的单目标拓扑优化数学模型，如式（1）所示。

上式中，x表示设计变量，m（x）表示重量，σmax（x）表示各设计工况下结构的最大应力。

4.2 拓扑优化

考虑不改变现有结构的装配关系，同时不与周边结构产生干涉，以初始设计作为基结构，寻求在初始设计上去除材料，以减轻重量。其中基结构即为拓扑优化的设计变量，如图8所示。

基于前述数学模型的定义，采用拓扑优化算法进行迭代计算。

经多轮迭代计算后，得到图9所示拓扑结构。

4.3 轻量化结构

基于上述拓扑优化结构，对基结构进行去材料设计，综合考虑实际工程制造需求，得到图10的左右支架轻量化结构。

4.4 轻量化前后对比

表4列举了驾驶室前悬连接支架轻量化前后的重量及变化。

将轻量化结构进行有限元建模，并在前述设计工况下进行静强度分析，得到轻量化后支架结构的安全因子，见表5。

4.5 轻量化评估

通过上述计算分析结果可以看出，在受到相同载荷和约束的条件下，轻量化后的驾驶室前悬左右连接支架在各设计工况下的安全因子均大于1，且各工况下最小安全因子由1.33提升至2.32，零件降重28.1%和23.9%，达到了轻量化设计的目标。

5 结论

本文通过建立某重卡车型驾驶室前悬左右连接支架有限元模型，借助Hyperworks进行了多工况静力学分析和拓扑优化。在结构满足强度要求的同时实现降重20%以上，达到了零部件轻量化设计目的。本文的分析过程及结果为支架类零部件轻量化提供了设计思路，对轻量化设计具有一定的指导意义。

参考文献

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[2] 刘文欣等.有限元网格划分方法研究[J].机械设计与制造，2004.

[3] 张胜兰，郑东黎等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].机械工业出版社，2007.