农用机械设备底盘车架结构轻量化设计研究

苗 敬

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

0 引言

随着现代社会经济的快速发展，人们的节能环保意识越来越强，对生态环境保护提出了更高的要求[1]。同时，全球能源危机愈演愈烈，许多国家都面临能源不足的问题。在能源与环保的双重作用下，轻量化设计开始大范围应用到许多行业领域中，如各种类型车辆设计等[2]。从20 世纪90 年代开始，我国工程机械领域便认识到轻量化设计的重要性，加大对轻量化技术的开发与应用。我国作为世界上名副其实的农业大国，农用机械的应用十分广泛，推动农业机械设备的轻量化设计十分有必要。

农用机械在推动我国农业发展上发挥了重要作用，然而在传统农业机械结构设计过程中，其底盘车架结构设计还是将试验当成主要手段，通过放大安全系数的方法来提高底盘车架结构的综合力学性能，保证农业机械工作过程的安全性与稳定性，在这种情况下设计开发的农业机械设备往往具有较大的自重，不仅降低了设备的灵活性，也会消耗更多的能源[3]。所以，将轻量化设计技术引入到农业机械设备底盘车架结构设计中显得尤为重要。

1 底盘车架结构轻量化设计概述

1.1 重要功能分析

农用机械设备中车架是十分重要的一部分，和设备底盘相连，构成了农用机械的主体结构，决定了许多部件的设计与安装方式[4]。在农用机械设备当中，不管是车辆悬架系统、发动机、变速箱，还是座椅、转向机构、传动部件等，都需要以底盘车架结构为载体进行安装与工作，并形成一个完整的、功能正常的农用机械设备。农用机械设备在平时工作过程中，设备自身承载力、外部传递而来的冲击力等都需要通过底盘车架结构来承受，所以说，底盘车架结构是农用机械设备的基础所在，是保障设备稳固运行的重要前提[5]。当底盘车架结构的设计强度偏弱，在受到较大的外部冲击力或高负荷运行过程中，极易出现变形、断裂等问题，导致农用机械设备无法正常工作。此外，底盘车架的总体强度还和机械设备的操控存在较大的联系，良好的底盘车架结构设计有助于增加机械设备操作的安全性、舒适性、灵活性以及可靠性[6]。所以，在实际进行农用机械设备底盘车架结构设计时，要提高其结构设计的科学性，使其具备良好的品质与安全性，不断调整与改进结构设计，确保其拥有较高的实用性。

1.2 轻量化设计的必要性

将轻量化设计应用到农用机械设备底盘车架结构设计当中，表示的是在保证农用机械设备自身各项功能正常工作，结构强度可以满足使用需求的基础之上，基于改善结构类型、结构材质等手段，最大程度降低底盘车架结构自身质量，使得农用机械设备的整体质量更低，进一步提高机械设备运行的灵活性、稳定性以及舒适性等。当下国内外都十分注重轻量化设计，并开展了大量的研究与试验工作。根据家用轿车的轻量化试验数据，相同车辆在同样行驶路况与环境条件下，当汽车的整体质量减少10%，其燃油消耗量将会减少7%左右[7]。通过缩减车辆的燃油消耗量，一方面与当下的“节能环保”理念相一致，另一方面也可以缩减车辆使用中的费用支出。当行驶车辆的整体重量降低，在其他相关参数不变的情况下，会降低车轮和地面的摩擦力，车辆行驶阻力变小，换言之，车辆只需要提供更小的动力便能够正常工作，从而有效减小了车辆的燃油消耗量，同时防止车辆和地面产生较大的摩擦损伤。

2 轻量化设计在农机设备底盘车架结构设计中的应用

2.1 拓扑优化

在进行农用机械设备开发与设计过程中，拓扑优化是一个较为常见的方法[8]。一般来说，拓扑优化是对设计中的各个槽口、截面以及墙体等尺寸进行调整和改进，在满足使用强度要求的前提下降低结构质量，从而达到减重的效果。外观美好是在维持原有农用机械设备拓扑结构的基础之上，针对已经优化好的农用机械结构连接部位的形状、大小等进行调整，使其整齐美观，并得到相应的农用机械物外形。拓扑优化是建立在有限元分析基础之上的设计手段，将设计过程中满足条件的材料划分成有限数量的对象，并针对应用最为广泛的材料设置增强离散拓扑[9]。在实际进行区间结构设计过程中，径向元素数量要通过算法获得，并和其他元素构成完整的拓扑图，通过拓扑优化获得拓扑模型。现阶段使用较为普遍的拓扑优化手段是动态与瞬态两种动力学。使用有限元分析软件ANSYS Workbench 对底盘车架结构的综合力学性能进行分析，删减掉不必要的底盘车架结构部件，实现对结构的精简，有助于降低软件的分析负担，加快软件分析的速度。图1 为经过精简的底盘车架结构，底盘车架横梁基于不同规格型号的方形钢管焊接而成，各部分材料均选用低碳合金钢Q355B，该材料的屈服强度为355 MPa，具有综合性能好、低温性能好、冲压性能好、焊接性能好以及可切削性能好等优势，该材料的主要参数如表1所示。

表1 底盘车架结构材料主要参数

图1 精简后的底盘车架结构

2.2 CAE轻量化设计优化

一般来说，创设新型农机框架可通过下列两种途径来实现，首先是优化机械现有设备，其次是引入高科技的设计手段，让机械设计十分逼真[10]。现阶段，这部分的研究问题重点表现为没有适宜的新材料可以满足降本增效、环境保护等相关要求。随着CAD/CAE 技术的不断发展，有效推动了机械设计技术的创新与进步，该技术涵盖了ANSYS、UGNX 以及ADAMS 等多种类型软件，其在机械设计中都有着十分普遍的应用。通过UGNX 的使用可以进一步完善模型功能，然而CAE 的设计改进方法不容易掌控，改进方法即减小农用机械设备底盘车架的整体重量，减小底盘车架结构的最大应力值，确保底盘车架结构的变形量处于合理范围内。所以，把农用机械设备底盘车架的最大应力值与允许的最大形变量当成目标函数，如公式（1）所示。

其中：

公式（2）中，σmax表示结构最大应力值，单位MPa；maxΔl表示底盘结构的允许最大形变量，单位mm；mmax表示底盘车架结构的总重量，单位kg。

农用机械设备底盘车架结构中，选用槽钢作为底部承重梁，在这种情况下，农用机械设备底盘车架结构的总体强度受到槽钢高度、厚度以及腿宽度等参数影响，因此以这些参数为基准设计变量，主要设计变量如表2 所示。

表2 主要设计变量

针对农用机械设备底盘车架结构开展多目标优化，最终获得的优化模型如下：

2.3 CAE轻量化设计环境

通过传统三维软件创建的农用机械设备三维模型，并不能够与ADAMS 软件相兼容，必须将其转化成UGNX 格式，对整体结构规模进行优化，这会给设计工作带来较大的麻烦。不管是结构尺寸还是目标光的函数关系，其在三维模型中均是有体现的，测量和计算是正比例关系，优化目标的大小要经过上千次计算同时会消耗较多的时间。另外，选取适宜的计算方法是当下迫切需要解决的一个关键问题。而UGNX 软件是一个功能非常完善的软件，在特定情况下即便在CAD 中也能够实现零件外形的改变。所以，在利用UGNX 软件进行设计工作时，可以直接测量零件同时把其转变成ADAMS 站点，不再需要通过UGNX 再次拨动设备同时二次定义实体。通过轻量化设计后，得到调整后的参数，槽钢高度、厚度以及腿宽分别是100 mm、5 mm、50 mm。

根据上述参数调整底盘车架结构模型，之后进行模拟分析，得到如表3 所示的结果。从中可以看出，优化后农用机械设备底盘车架结构的最大应力值与最大变形量均出现了下降。

表3 优化前后对比

3 结语

综上所述，现阶段轻量化已经成为机械制造领域十分重要的一个发展方向，然而我国农用机械设备的轻量化设计发展较为缓慢。轻量化设计在保证结构强度的前提下，可降低结构整体重量、提高燃油经济性、增强设备使用的灵活性与稳定性，我国应重视农用机械设备的轻量化设计，为推动农用机械现代化发展奠定基础。