基于NX NASTRAN 的副车架边梁轻量化设计

牛凯强，平志峰，刘 军，宋双路，咸士玉

（山西航天清华装备有限责任公司 山西 长治 046000）

1 概述

专用汽车的各种专用装置和设备都直接或间接地安装在车架上。为了使汽车底盘车架承受尽可能均匀的载荷，防止汽车底盘车架纵梁的应力集中，往往在专用设备和主车架之间设计副车架。

某专用车为了增加专用设备的安装空间，在设计副车架时，在副车架纵梁两侧设计下沉式边梁，以满足专用设备的安装需求。

本文以副车架边梁为研究对象，借助有限元分析技术，研究副车架边梁承载专用设备后受力情况，验证副车架边梁设计的合理性，并对其进行拓扑优化设计。

2 副车架边梁结构设计

根据某专用车功能要求，专用车副车架纵梁采用300×150 盒型结构，其边梁需放置专用设备箱，设备箱安装面相比纵梁上表面下沉200mm，为了满足其强度要求，边梁选用HG785D 高强板拼接的形式。边梁内侧与副车架纵梁焊接的形式进行连接，为增强其刚强度，边梁立板与纵梁上表面平齐，以增加焊缝长度。副车架边梁的三维模型如图1 所示。

图1 副车架边梁三维模型图

3 载荷分析

如图2 中所示，副车架边梁为悬臂梁，专用设备箱通过螺栓连接固定在两副车架边梁中间，设备箱总重约16kN，单个边梁承重800kg。该专用车跑车状态时，副车架边梁受力最大，动载荷约为0.3G。因此，单个边梁上翼板上表面受力约为10192N。

图2 副车架边梁载荷分析图

4 有限元分析

4.1 有限元模型建立

应用NX NASTRAN 高级仿真模块对副车架边梁进行有限元模型建立，设置边梁材料为钢材，对边梁进行单元划分，选取10 节点四面体网格自由划分模式，网格大小单元设置为10mm。网格划分结果如图3 中所示。

图3 副车架边梁网格图

根据2 节中副车架边梁的载荷分析，对边梁有限元模型添加约束及载荷，采用迭代求解器进行求解。

4.2 结果分析

（1）副车架边梁应力分布如图4 中所示。从图中可看出最大复合应力为141.44MPa，位于边梁翼板折弯处。究其原因，副车架边梁本就是悬臂梁，为了避免悬臂根部出现应力集中等，将边梁立板向上延伸，使得应力集中转移至边梁翼板折弯处。在车辆越野行驶过程中，副车架边梁受载荷相对较大。所以，副车架边梁强度远远高于设备箱安装强度要求。

图4 副车架边梁的应力分布图

（2）副车架边梁位移云图如图5 中所示。从图中可看出，副车架边梁最大位移值为1.53mm，位于边梁最边缘，与悬臂梁理论位移规律相符合。

通过图4、图5 中副车架应力应变云图可以看出，该结构的副车架边梁强度远远大于设计要求的强度，设计过于冗余，因此，需对副车架边梁进行优化设计。

图5 副车架边梁的应变分布图

5 拓扑优化

在NX NZSTRAN 高级仿真模块中，新建拓扑优化求解过程，与3 节中求解结果相关联，副车架边梁与纵梁焊接处设置为限制区域，应力/应变、位移设为设计响应，光顺iso 值设为0.3，设置迭代次数为25，对副车架边梁进行拓扑优化计算。

计算后的结果如图6 所示。从图中可以看出，边梁与主梁连接处可以减少，副车架边梁立板可以多处增加减重孔。

图6 副车架边梁的拓扑优化结果图

迭代25 次后，副车架边梁应力云图如图7 所示，最大应力为392.79MPa，仍然在边梁翼板折弯处。但图中可以看出，应力分布相比优化前更为均衡。

图7 循环25：边梁的应力云图

迭代25 次后，副车架边梁应变云图如图8 所示，最大位移为4.26mm，位于边梁翼板中间部位，说明，优化后此处过于单薄。在副车架边梁的进一步设计时，此处需做适当增强。

图8 循环25：边梁的位移云图

根据拓扑优化计算结果，以及专用车及工程实际的功能需求，结合机械设计基础知识，副车架边梁需进一步进行优化设计。

6 轻量化设计

根据4 节中计算结果，对副车架边梁进行轻量化设计。仍然采用HG785D 高强板拼接的形式，根据拓扑优化计算结果，根据立板外形，增加梯形减重孔，为了减小图8 中所示应变值，减重孔避开应变最大位置。立板上部与副车架主梁连接处进行降低高度调整，优化后的副车架边梁如图9 所示。

图9 副车架边梁优化后三维模型

用3 节中同样的方法设置副车架边梁材料及网格单元大小，并施加相同约束和载荷，对轻量化设计的副车架边梁进行静力学分析。

图10～图11 为轻量化后副车架边梁应力和位移云图，由图中可以看出，轻量化的边梁，最大应力为348.68MPa，位于边梁翼板折弯处。最大应变为2.682mm，位于边梁最外端。结果表明，优化后的边梁满足专用设备箱的安装强度要求。

图10 副车架边梁应力云图

图11 副车架边梁应变云图

副车架边梁质量由原来14.05kg 减为9kg，减重35.94%，达到了轻量化设计目的。

7 结论

本文通过副车架边梁的设计，应用NX NASTRAN 对副车架边梁进行有限元分析，并利用拓扑优化求解进行优化设计，实现了副车架边梁的轻量化设计，优化后的边梁减重率为35.94%。研究结果表明，优化后的副车架边梁不仅能够满足专用设备的安装强度要求，相比优化强，质量更小，受力更为均衡。为专用车安装并转运设备提供了理论依据。