張龍，王曉磊，張陽光，馮江峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

某重卡下支架有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)

張龍，王曉磊，張陽光，馮江峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

對(duì)某重卡下支架在設(shè)計(jì)工況下的靜強(qiáng)度性能進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)該下支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。采用拓?fù)鋬?yōu)化方法，以最大設(shè)計(jì)空間為優(yōu)化的基結(jié)構(gòu)，以重量最輕為目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度性能為約束條件，進(jìn)行了優(yōu)化迭代計(jì)算。輕量化設(shè)計(jì)后，減輕了下支架的重量，且輕量化結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

重型卡車；下支架；有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化

CLC NO.:U462Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-24-03

前言

在重卡中，下支架作為驅(qū)動(dòng)橋與懸架間的一個(gè)重要的傳遞環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定了驅(qū)動(dòng)橋與懸架聯(lián)結(jié)的可靠性，而其重量又影響了整車的油耗等經(jīng)濟(jì)性要求。輕量化是重卡行業(yè)發(fā)展的方向。輕量化的產(chǎn)品，可以有效提高性能、節(jié)約能源、降低成本等。所以，對(duì)重卡產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)很有必要。

本文利用有限元分析軟件對(duì)下支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對(duì)下支架采用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證整體裝配和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，達(dá)到節(jié)省材料，減輕重量的目的。部分橋殼進(jìn)行建模。

該下支架、橋殼結(jié)構(gòu)為實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，螺栓等級(jí)為10.9級(jí)，采用六面體劃分單元，利用有限元軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

1、有限元模型建立

下支架通過螺栓固定在橋殼和滑板支架上，這里只截取

下支架的材料為45鋼，其屈服強(qiáng)度為368MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.30，密度為7900 kg/m3；橋殼材料為QT450，彈性模量為147GPa，泊松比為0.25，密度為7300 kg/m3；螺栓材料為冷拉鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7900 kg/m3。

得到如圖1所示的下支架結(jié)構(gòu)有限元模型，其中包含768694個(gè)單元。

2、有限元分析

考慮螺栓預(yù)緊，在螺栓上施加129545N預(yù)緊力，根據(jù)整車推力桿受力及主機(jī)廠道路試驗(yàn)載荷，分別考慮驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)兩種設(shè)計(jì)工況，各工況施加載荷的計(jì)算參見文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[3]。

在有限元模型中，下支架與橋殼結(jié)合面、橋殼與滑板支架結(jié)合面定義接觸，螺栓與滑板支架綁定，其余部件之間的連接關(guān)系采用Kinematic單元，并利用Kinematic、Continuum distributing單元在模型上定義約束和施加載荷，在橋殼兩端面處約束，在下支架螺栓孔中心處施加載荷，見圖1。

提交有限元求解器，進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到下支架各設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力云圖如下所示。

表1給出了各設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值。

表1 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

3、輕量化設(shè)計(jì)

由各設(shè)計(jì)工況下的最大應(yīng)力可知，相比于材料的屈服強(qiáng)度368 MPa，有很高的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度儲(chǔ)備充足。

可適當(dāng)減弱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以減輕重量，考慮采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)該輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)學(xué)模型

考慮以重量最輕為目標(biāo)函數(shù)，以各設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力不大于270MPa為約束條件。

這是一個(gè)帶約束的單目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型如式1所示。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化

優(yōu)化的基結(jié)構(gòu)的選取，考慮不改變現(xiàn)有的裝配關(guān)系，并不與其它結(jié)構(gòu)干涉，以初始設(shè)計(jì)作為基結(jié)構(gòu)，尋求在初始設(shè)計(jì)上去除材料、減輕重量?；Y(jié)構(gòu)即為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)變量，見圖4。

基于前述數(shù)學(xué)模型的定義，采用拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算。

經(jīng)過17輪的迭代，得到了滿足約束條件的重量最輕的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3.3 輕量化結(jié)構(gòu)

基于上述拓?fù)鋬?yōu)化得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在基結(jié)構(gòu)多個(gè)位置

去除材料，并考慮工程實(shí)際，得到了如圖6所示的可用于實(shí)際生產(chǎn)的輕量化結(jié)構(gòu)。

3.4 輕量化前后對(duì)比

表2對(duì)比了輕量化前后的重量，由該表可知，重量減輕了28 %。

表2 輕量化前后重量對(duì)比

將輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，并分析在前述設(shè)計(jì)工況下的靜強(qiáng)度性能，與初始結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)對(duì)比如表3所示。

從對(duì)比結(jié)果可以看出，在受到相同載荷和約束的條件下，輕量化后的下支架重量減輕了28 %，各設(shè)計(jì)工況下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均不大于270MPa，有足夠的安全裕度，滿足強(qiáng)度要求?？梢哉f，經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，有效地減輕了該下支架的重量。

表3 輕量化前后強(qiáng)度對(duì)比

4、結(jié)論

本文運(yùn)用有限元軟件對(duì)某重卡下支架建立了有限元模型，并根據(jù)分析結(jié)果，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)下支架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。輕量化后，結(jié)構(gòu)在各設(shè)計(jì)工況下的強(qiáng)度滿足要求，且重量減輕了28 %。本文的分析結(jié)果對(duì)下支架的輕量化設(shè)計(jì)及改進(jìn)有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 丁煒琦，等. 基于應(yīng)力優(yōu)化的大客車結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 汽車技術(shù)，2010（4）：4-7.

[2] 竺延年. 最新車橋設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量檢測(cè)及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè).北京：中國知識(shí)出版社，2005.

[3] 賴姆佩爾. 懸架元件及底盤力學(xué). 吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

Finite element analysis and Lightweight Design of A Heavy TruckLower bracket

Zhang Long, Wang Xiaolei, Zhang Yangguang, Feng Jiangfeng
（Shaanxi Hande Axle Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

Finite element analysis was performed on the static strength properties under design conditions of a heavy truck lower bracket, and lightweight design was performed. Using topology optimization method, iterative calculations for optimization were performed, the maximum design space was taken as the base structure of optimization, the lightest weight was taken as the objective function, the structural static strength properties was taken as the constraints. After the lightweight design, the lower bracket weight was reduced, and the lightweight structure met strength requirements.

Heavy Truck; Lower Bracket; FEA; Topology Optimization; Lightweight

U462

A

1671-7988(2014)07-24-03

張龍，就職于陜西漢德車橋有限公司。