房车车架分析及结构优化设计

辛尧 霍佳兴

摘 要：近些年来，有限元法在汽车车架方面的研究日趋成熟，有限元法已经成为汽车车架结构研究的一种重要手段，对降低生产成本、缩短研制周期、提高质量具有重要意义。传统的优化设计主要包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化等方式，而近年来逐渐成熟的多目标遗传算法和响应面法在多个学科研究中得到广泛的应用，该方法显示出强大的求解能力和广泛的适应性。因此本文采用多目标遗传算法和响应面法对房车车架进行优化设计。

关键词：房车车架；结构；优化设计

1 车架有限元分析类型

1.1 静力分析

在静力学分析之中，对汽车车架的有限元分析通常需要计算四个基本工况，即弯曲工况、扭转工况、制动工况以及转弯工况，而在本课题中，由于房车车架的特殊运行特点，我们还对车架进行了临时载人工况的分析，对以上五个工况的模拟分析，来实现本课题中拖挂式房车车架的有限元分析。通常来说，在我们完成了汽车车架有限元分析之后需要对计算分析结果做可视化处理，也就是分析结果的后处理，通过结果后处理可以得到车架的应力分布云图以及位移分布云图，观察云图结果可以找到车架在运行过程中最大应力以及最大位移位置，通过结果与使用材料比对来决定车架是否需要进行结构的优化设计。

1.2 模态分析

现如今，汽车的行驶速度越来越快，这也导致了车辆的振动、噪声等问题在车辆性能检测中的地位越来越高，而车架作为汽车关键承载部件，在汽车运行行驶过程中受到外部颠簸振动会产生弯曲或者扭转，不仅会严重影响车辆乘坐的舒适性还会降低车架的使用寿命。通过对车架的模态分析可以得到车架的固有频率以及固有振型，经过必要的分析优化，在车辆行驶过程中可以避免其发生共振。

1.3 动力响应分析

当所研究的车辆在行驶过程中，外界会产生激励，而外界激励的动力性能响应会对车架性能产生影响，车架动力性能响应分析就针对这种外部影响进行分析。而在动力响应分析之中，所遇到的难题有很多，比如阻尼阵的确定、路面激励的模拟等等，这些问题也导致国内外对动力响应分析的研究进展推进缓慢。

2 车架有限元模型的建立

2.1 车架几何模型的建立

一般来说，在实际中所分析的工程结构往往较为复杂，幾何模型与实际工程结构的差别导致的误差要比有限元法本身的计算误差大的多。从这个意义上来说，几何模型的准确性对有限元计算结果的准确性有很大的影响，因此在进行车架结构有限元分析之前，建立合理有效的车架几何模型是十分必要的。之前的相关研究出于计算成本的考虑，大多将车架考虑成一个整体建立几何模型，这种建模方式有效的减小了计算时间，但有时并不能真实的反映出车架上应力的分布情况和应力集中的位置。本文采用将车架各零件分别建模，再根据各零件之间的安装、位置关系将其装配而成的方法。ANSYSWorkbench虽然具有几何建模的功能，但由于车架结构零件繁多，结构相对较为复杂，主要由各类型号的矩形管、角钢等薄壁类零件组成。因此本文选用与其具有良好的数据共享性能的大型三维建模软件Pro/E建立车架结构的几何模型。

2.2 几何模型的导入及对模型的处理

该房车车架结构相对较为复杂，主要由各类型号的矩形管、角钢等薄壁类零件组成。在车架几何模型中，一些细小的特征对计算结果的影响很小，但是对网格划分规模和求解速度的影响较大，有时会造成求解时间过长。因此为了提高计算效率，在不影响计算结果正确性的前提下需要对几何模型做出如下的简化：（1）对部分零件形状的光顺化：对于部分零件的尺寸较小的工艺孔、园倒角等细节特征，会增加网格划分的规模和求解速度，可以将其忽略。（2）省略几何模型中的非承载部件：对于车架几何模型中一些辅助承载的部件，如悬架弹簧支座圆环及其他小的支架等附属装置，这些部件对车架整体强刚度和模态的影响很小，可以将其省略。本文所分析的车架结构主要由各类薄壁类零件组成，该零件的特点是宽度和长度一般是厚度的十倍以上。对于这些结构进行有限元分析时通常选用板壳单元，既可以减少单元数量，又能准确地建立有限元模型从而得到准确的计算结果。因此对车架几何模型做出简化处理后，应该对各个部件进行提取中面处理。中面是零件中间的一层曲面，是对薄壁零件的一种近似，提取中面处理也是划分板壳单元网格过程中的必要环节。打开Workbench，双击Geometry，进入模型处理模块，选择工具中的Mid-Surface功能，选择自动提取的方式，对于不同厚度的零件，分别设置不同的厚度抽取容差。设置完毕后，工具自动找出可提取的中面，单击Generate即可生成中面。提取完中面后，一些原本连接在一起的零部件之间出现了缝隙，为了消除缝隙，可以采用工具中的SurfaceExtension功能，将零件重新连接起来，确保处理后的模型仍然是一个整体。另外，对坐标系进行定义，X轴正向为车辆前进方向，Y轴正向为前进方向的右侧，Z轴正向为垂直向下。

3 车架拓扑优化设计

3.1 优化工况载荷和约束

考虑车架实际行驶工况，包括弯曲工况和扭转工况，由前一节可以看出，右轮悬空工况比左轮悬空工况更为恶劣，因此扭转工况仅考虑右轮悬空。根据上一节中车架载荷，选择主要承载部件，将工具箱及工具、水箱、吊柜以集中载荷的形式分别施加于牵引架后部、车身底部，以及车身侧围对应的位置，床、木柜则以均布载荷的形式分别施加载于车身底部、前部和后部。同时，在轮毂中心与车身以rbe2单元模拟连接关系，约束轮毂中心的自由度。对于弯曲工况，约束牵引架前端、左轮、右轮的xyz平动自由度；对于右轮悬空工况，约束牵引架前端、左轮的xyz平动自由度，放开右轮自由度，同时施加大小为470N的簧下载荷。

3.2 优化参数

优化参数的设置是否合适对于能否获得清晰能辨的优化方案十分重要，经试算后，设置最小成员尺寸MINDIM为60mm，最大成员尺寸MAXDIM为180mm，棋盘格参数CHECKER和离散参数DIS-CRETE分别为1和2。

3.3 单工况优化结果

利用Optistruct求解器对房车进行弯曲工况和右轮悬空工况下的拓扑优化分析，经过60次和49次迭代计算后，目标函数收敛.

3.4 弯扭联合工况优化结果

在房车行驶过程中，通常会遇到多个复杂工况，为了充分考虑到各个工况对应的结构特点，构建更为合理的结构，综合弯曲和扭转工况进行多工况拓扑优化分析。建立多工况拓扑优化模型的载荷和约束与各对应单工况一致，采用折衷规划法，将弯曲和扭转工况取相同权重，并根据各单工况拓扑优化结果设置对应的柔度参考值。经57次迭代，目标函数开始收敛，柔度与迭代次数的关系曲线和材料密度分布云图如图1和图2。从图中可以看出，多工况拓扑优化后载荷传递路径明显，较好地综合了单工况拓扑优化结果的特点，但体现出扭转工况主导型，整体结果较为合理。材料主要分布在车身底部以及牵引架，车身前部、侧围和顶面材料分布不多。车架需要至少有两个纵梁以保证弯曲刚度，需要在牵引架处增加斜撑以及靠近车架中部的区域增加若干横梁以提高扭转刚度，拓扑优化的结果可以为后期车架的重新设计提供参考。

参考文献

[1]王佳苇.某型拖挂式房车车架有限元分析及优化设计[D].大连交通大学，2018.

[2]张橹.房车车架有限元分析及结构优化[D].山东理工大学，2016.

[3]张婉若.某型号房车骨架有限元分析与研究[D].东北林业大学，2012.