基于有限元分析的ATV车架优化设计策略

摘 要：有限元法是现代工程设计的有效辅助工具，结构设计中应用有限元法可以提高车辆动静态特性。全地形车上许多重要总成以车架为载体，车架刚强度设计非常重要。本文研究介绍有限元分析方法，对ATV车架结构进行优化设计，通过几何模型转换导入等技术，建立车架有限元网络模型，根据车辆受力情况设置边界条件，分析表明车架刚度满足设计要求。

关键词：有限元分析;ATV车架;优化设计

中图分类号：U463.32;U462 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）02-0050-03

有限元技术成为生产商应对行业竞争的重要手段，有限元法可以测评车架性能，为产品开发成功提供保障。有限元法可以对车架刚强度等特性准确分析，在现代车辆设计中得到普遍应用。车架承载道路复杂荷载任务，车架设计尤为重要。研究基于有限元分析的ATV车架优化设计具有重要意义[1]。

1有限元分析技术

有限元法運用不同于普通方法，突出特点是把分析结构离散化，将工程项目实物结构通过结构离散化，要求找出与实际物体各部分一致单元匹配。取有限元模型单元分析，用插值模式代替多项式准确描述位移。有限元模拟计算要对单元荷载向量p（e）推导。对结构进行有限元计算要把组成结构单元荷载向量按相应方式组合，得到方程[K]{δ}={P}，{δ}为整体结构点位移，[K]为整体结构刚度矩阵;{P}为作用于结构的有限元结合点外力。有限元软件发展已有多年，可以通过有限元分析计算结构应力变值等。软件公司开发很多有限元软件，如MARC，ASKA，NASTRAN等。应用Optistruct软件对物体结构优化设计要建立精确有限元模型，在1D、2D、3D下划分网络，使网络模型与实际物体一致。

2 ATV车架有限元模型

ATV车架安装发动机、前后桥等总成部件，功能是连接各个总成并承受车辆内外荷载。车架承受来自于车轮的荷载，要求具有足够刚强度，应适当降低整车重心获得较大前轮转向角，对车架进行有限元分析非常必要。本文研究的ATV车架在UG环境建立，车架有100多个零件组成。对物理对象进行有限元分析需要抽象简化建立几何模型，然后建立节点与单元构成网络模型，把材料特性分配到结构几何构型施加荷载，建立用于分析计算有限元模型。

有限元模型规模对车架结构分析非常关键，建立模型要求具有足够的准确性，车架坐标系建立以车架纵向对称面交线为原点，以原点垂直向上直线为z轴正方向，车辆前进方向为x轴正方向;根据右手定则确定y轴。车架大部分零件由薄板冲压成，厚度方向尺寸比其他方向小[2]。选用体单元描述车架会增加单元数目。选用壳单元可缩减计算所需时间。常用壳单元有BT，HL壳单元，本文采用BT壳单元研究车架。考虑计算精度选取单元大小为10 mm× 10 mm计算离散车架部件。前纵梁影响碰撞分析车身吸能，网格质量要求单元边长10 mm，雅各比>0.5;最大四边形内角<135°;最大三角形内角<140°。

有限元模型网格质量关系到分析结构准确度，要得到高质量网格模型，划分车架有限元网格要注意零部件曲面小特征对车架力学性能影响小，避免出现网格自由边等现象。有限元模型涉及不同零件连接问题，零件连接多功能已是复杂繁琐过程，车架零件大部分采用弧焊连接方式。焊点开裂造成机构吸能效果下降，建模中要根据实际情况处理焊点，焊点处理方式有公用节点法、刚杆连接法等。有限元建模需要零件材料参数，车架纵横梁制造在压力机上采用冷冲压工艺成型，车架材料应具有足够屈服极限，良好焊接与冷冲压性能。选定制造工艺与车架材料相关，拉伸尺寸较大的冲压件需采用低碳合金钢，形状不复杂的冲压件采用高强度的钢板制造。以ATV车架CAD三维模型为基础，经过几何模型简化、材料模型建立等步骤得到有限元模型。

3 ATV车架静态分析

车辆行驶中受到各方向荷载作用，车架支承离合器等簧上质量有关机件。车架在车辆中起到基座作用。整车质量取决于车架结构性能，ATV车行驶条件恶劣，车架应具有足够弯曲刚度，保证车辆行驶中相关机件位置不变。车架静态分析为结构优化设计进行分析指导。静力分析是固定荷载下计算结构响应，不考虑荷载随时间变化。固定不变荷载是假定与结构响应随时间变化缓慢。

本文通过车架结构刚度有限元静力分析，通过改变材料特性调整刚度质量分布，在结构刚度满足使用要求下降低材料用量。静力分析控制方程为{K}{U}={F}，{U}为位移向量;{K}为结构刚度矩阵，{F}为荷载向量。使用CAE法进行车架结构有限元静态分析原理相同，得出{K}{δ}={R}，{R}为荷载列阵;{δ}为结构节点位移列阵;{K}为刚度矩阵。结合公式计算各单元力得到结果整理。{δ}=[D[B][δ]e，[B]为单元应变矩阵;[D]为单元材料有关弹性矩阵;[δ]e为单元节点位移列阵。通过处理有限元模型边形图反映车架变形，节点处应力是相连单元应力算术平均值。根据材料强度选择最大拉应力为强度校核基准，车架静态强度校核可根据第四强度理论判断车架结构强度。表1为弯曲工况边界约束条件。

车架荷载包括变速箱、附件与驾驶室重量等，车架加载可以分布或集中方式，研究车架自重通过定义重力加速度施加;成员重量为均布荷载，车架受荷载由各部分荷载组成;发动机变速箱总重量F1为3 800 N，附件重量F4为1 500 N。满载弯曲工况是车辆常用工况，刚度分析车架处于弹性变化内，车架材料弹性模量E=207 GPa，零件按实际赋予材料属性。弯曲工况下第三四五根横梁变形较大，第四根横梁两侧纵梁应力位移最大。单位里作用下位移为弯曲刚度，同类型车型最低弯曲刚度值为1 200 N/mm。车架弯曲刚度满足设计要求。

4 ATV车架有限元模态分析

模态分析是结构动态特性分析形式，固有频率是评价结构动态设计的主要参数，模态是振动系统特性突出表现形式，通过模态分析得到结构固有频率，模态分析结构是详细动力学分析的基础。车架由于外界时变激励产生振动响应，车架共振产生噪声使乘员感觉不适。车架是多自由度弹性振动系统，引起激振力因素包括路面不平度对车轮作用随机激振，工作冲程爆发压力引起简谐激振。车架动态设计要求固有频率避开常见激振力频率，车架设计初始阶段进行模态分析非常必要。

多自由度系统以固有频率表现振动形象为模态，机械结构外力对各点响应表示为固有频率等模态参数构成模态振型叠加。多自由度线性系统运动微分方程为MX+CX+KX={P（t）}。M为车架结构惯性矩阵;X为车架结构位移;K为车架结构刚度矩阵;{P（t）}为车架结构受激振力列阵;K为车架结构刚度矩阵。计算车架固有特性，车架结构无阻尼振动方程为MX+KX=0，求得系统各阶固有频率域振型。车架结构模态分析要求解结果是固有频率，对车架自由模态分析是结构特性决定。采用实际边界条件为支撑分析车架有限元模态较为复杂，添加较大边界条件影响计算精度，自由边界条件下计算模态参数运用建模方法得到特性，本文对车架有限元模态分析采用自由边界条件。考虑研究车速分析选取0～200 Hz为计算频段。

研究利用有限元软件对车架进行自由模态分析，计算车架自由模态固有频率，对有限元模型自由状态下模态提取。运用动态分析模态分析法对车架结构评估，要求车架弹性模态频率避开发动机工作频率;车架低阶频率为基频，要低于发动机怠速运转频率。研究ATV全地形车使用直列单缸汽油机，怠速激振频率计算公式F=（N/60）×M。发动机怠速N为600 r/min，材料为Q235-A，发动机气缸M=1。发送机怠速激振频率为10 Hz，发动机爆发频率为40～90 Hz。根据公式计算外部激励频率与车架固有频率比较，车架第1、2阶固有频率避开路面对车辆激励频率范围，高于发动机怠速频率。车架第一阶模态频率为21.46 Hz，发动机橡胶置刚度设计不当发生共振。发动机正常工作产生激励频率范围宽，难以判断是否与车架发生共振。

5 ATV车架尺寸优化设计

设计变量是模型中主要零部件几何参数，选择设计变量要注意数量适当，引起影响目标函数的目的;选择设计变量定义变化合理范围，变化区间达到优化目的。状态变量是约束设计数值，SVs通过计算得到数值，选择SVs应注意避免选取奇异点处值，选择数目合适约束设计。目标函数必须是设计变量函数，优化设计中允许1个目标函数。选择变量要能实现优化设计，设计变量数额少降低优化设计迭代次数，过多变量设计增大计算时间，减少设计变量可以把相关设计变量组合。选择设计变量规定合理范围，范围过大影响收敛速度，出现局部最优解。得到最优解在设计边界范围检查是否过小。去掉车架局部加强件，结构优化中未考虑局部荷载会产生错误板厚减薄变化，轻量化设计考虑车架纵横梁。

根据建立优化模型应用软件对选取零件轻量化设计。优化参数定义后提交计算，验证车架优化后各方面性能。ATV车架总质量减少18.5 kg，车架弯曲刚度下降142 Nm2/deg，车架质量减少弯曲刚度性能满足使用要求。表2为优化前后ATV车架主要性能指标对比。研究ATV车架结构有限元分析关键技术，保证刚度变化不大下结构设计优化减小各部件厚度，达到车辆轻量化目的。有限元变量选取根据经验避开影响小的车架部件，使各部件厚度变化不大，降低实际生产成本同时提高燃油率。

6 ATV车架拓扑优化设计

结构优化分为尺寸形状与拓扑优化，改变原设计拓扑结构困难，拓扑优化是优化领域的新研究方法，以减轻结构质量为目标寻求材料最优分布形式，可以得到更大的经济效益，成为结构设计研究的热点。拓扑优化理论对车架设计具有重要意义，车架结构设计前期进行拓扑优化可以全面了解产品结构，拓扑优化是概念设计，需适当修改设计结果可以应用形状优化得到更好的设计方案。

本文基于有限元分析处理软件对车架进行拓扑优化分析。车辆行驶中承受扭转等多种荷载工况作用，车架刚度优化设计非常重要。结构刚度拓扑优化是研究结构刚度最大材料分布形式，以结构整体体积约束为优化目标函数，给定荷载下建立线弹性结构拓扑优化设计静力下数学模型，{minV（y），s.t.{k（y）-k*≤0，0<yi<1，i=1，…，n，约束条件k*为结构刚度要求。目标函数V（y）为结构总体积;设计变量y是单元密度，在微结构上代表单元存在。宏观结构表现为存在微观矩阵孔。以ATV车架为例分析结构空间位置，建立拓扑优化车架出事优化有限元模型。选择车架材料为45鋼，泊松比为0.3，经迭代计算得到拓扑优化结果。本文进行理想化拓扑优化综合分析，未考虑整车设计其他一因素。车架第二、三根横梁需要加强，车架使用中相应部件易产生应力集中现象。应加强部件防止受疲劳破坏。

7结语

本文采用流行的CAD软件UG，Optistuct对车架进行弯曲刚度、模态有限元分析。以ATV车架为例，从网格划分参数选择，连接模拟等方面研究复杂零件有限元网格模型生成方法。对车架有限元模型进行弯曲刚度分析;通过对车架有限元模态分析，为改进车架结构设计提供理论依据。预估系统在外力作用下的响应。通过采用CAE技术对车架进行刚度分析，得出车架具有轻量化改进空间，根据尺寸优化结果修改模型。表明车架质量减少18.5 kg，弯曲杆固定保持不变。通过对车架结构空间位置分析，运用有限元软件建立拓扑优化模型，得到满足刚度要求的车架拓扑结构，表明拓扑优化设计方法的有效性。

参考文献

[1] 刘超.纯电动公交车车架结构有限元分析及优化设计：以4路公交车为例[J].电子质量，2021（9）：49-52+55.

[2] 刘拥拥，李媛，冯理，等.FSEC赛车车架有限元分析与优化设计[J].北京汽车，2021（2）：24-28.

Optimal Design Strategy of ATV Frame Based on Finite Element Analysis

ZHANG Wei

（Jiangsu Linhai Power Machinery Group Co.， Ltd.， Taizhou  Jiangsu  225300）

Abstract： The finite element method is an effective auxiliary tool for modern engineering design. The application of finite element method in structural design can improve the dynamic and static characteristics of vehicles. Many important assemblies on all-terrain vehicles use the frame as a carrier， and the rigidity and strength design of the frame is very important. The research introduces the finite element analysis method， optimizes the design of the ATV frame structure， establishes a finite element network model of the frame through geometric model conversion and import techniques， sets the boundary conditions according to the force of the vehicle， and the analysis shows that the frame stiffness meets the design requirements.

Keywords： finite element analysis; ATV frame; optimized design

收稿日期：2021-12-17

作者简介：张玮（1988—），男，江苏泰州人，本科，工程师，从事ATV技术开发工作。