□ 張俊杰 □ 戰(zhàn) 凱 □ 張文明 □ 姜 勇

1.北京科技大學 機械工程學院 北京 100083

2.北京礦冶研究總院 北京 100160

3.山東黃金集團有限公司 濟南 250100

車架是整車的基體，承受著來自路面及裝載的各種載荷作用，成為一個承受著復雜空間力系的框架結(jié)構(gòu)，車架變形主要表現(xiàn)為彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)［1-4］。由于氣瓶運輸車車架是在現(xiàn)有集裝箱車架中選型，沒有進行針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計，車架自重占氣瓶運輸車質(zhì)量比例比較大，因此減輕車架自重對氣瓶運輸車的輕量化具有重要意義。筆者以氣瓶運輸車車架為研究對象，運用ANSYS軟件對其進行靜力學分析。根據(jù)分析結(jié)果，以縱梁輕量化為優(yōu)化目標進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，獲取了車架最優(yōu)尺寸參數(shù)，實現(xiàn)了該車架的輕量化設(shè)計。

1 氣瓶運輸車基本結(jié)構(gòu)

氣瓶運輸車的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，整車尺寸為12 200 mm×2 500 mm×1 780 mm，車架采用骨架式結(jié)構(gòu)，由主縱梁和若干橫梁組成，質(zhì)量為3 368 kg。

▲圖1 氣瓶運輸車結(jié)構(gòu)圖

▲圖2 車架三維模型

2 車架的靜力學計算分析

靜力學分析主要是分析車架在靜載條件下的應力和變形，一方面使車架在所承受的載荷作用下，各部分的應力和變形不超過允許的范圍，另一方面通過靜力分析，調(diào)整各部分的應力分布，使應力達到均衡，最大限度地利用材料，降低制造成本［5］。

2.1 有限元模型的建立

有限元模型是進行輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)，它既要如實反映車架的重要力學特性，又要盡可能采用少的單元和簡單的單元形態(tài)，以保證較高的計算精度和運算速度［6～7］。 本文采用SolidEdge軟件建立車架的幾何模型，通過SolidEdge與ANSYS的接口程序?qū)嶓w模型導入到ANSYS中，對模型調(diào)整修復，得到車架的有限元模型，如圖2所示。

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的大小及疏密程度應根據(jù)求解問題的類型及目的、計算精度和計算機的運行速度等綜合考慮。如果網(wǎng)格過于粗糙，則可能包含嚴重錯誤；如果網(wǎng)格過于細密，則浪費資源，花費過多的計算時間。本文設(shè)定單元的控制尺寸為50 mm，共有246 848個單元，車架的整體有限元模型如圖3所示，局部網(wǎng)格放大圖如圖4所示。

2.2 典型工況的計算分析

根據(jù)氣瓶運輸車的實際運行情況，本文主要選擇兩種典型工況進行計算。一是彎曲工況，模擬氣瓶運輸車滿載時在水平路面上的行駛情況，此時所有車輪處于同一平面內(nèi)，車架主要承受彎曲載荷。二是扭轉(zhuǎn)工況，模擬氣瓶運輸車滿載時在不平路面上行駛的情況，左前輪懸空，其它各輪保持水平狀態(tài)不變。

2.2.1 彎曲工況計算

車架結(jié)構(gòu)在靜載條件下的載荷主要包括結(jié)構(gòu)自重、瓶組和連接裝置質(zhì)量、充裝氣體質(zhì)量三部分。結(jié)構(gòu)自重通過鋼的密度以慣性力的方式加載，瓶組和充裝氣體的質(zhì)量通過前端立板和后端操作艙加載到車架上，車架中間與瓶組不接觸。前端支撐板和后端操作艙質(zhì)量不相等，計算時前端橫梁加載0.72 MPa，后端兩橫梁加載0.38 MPa。

彎曲工況的約束處理為：約束牽引座 X、Z方向平移自由度（X為車輛行駛方向，Z為垂直車架方向），同時在車架縱梁與懸架接觸部位實施Z方向的位移約束，車架的約束和加載如圖5所示。

經(jīng)計算得到彎曲工況的von mises應力云圖如圖6所示，應力較大區(qū)域主要集中在前后端加載處，中間段縱梁和橫梁應力很小。牽引座安裝板處的應力最大為 316.599 MPa（圖7所示）,變形主要出現(xiàn)在前橫梁端部，最大變形為14.1 mm，應變云圖如圖8所示。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)工況計算

扭轉(zhuǎn)工況時左前輪懸空，其它約束和載荷處理同彎曲工況。經(jīng)計算得到扭轉(zhuǎn)工況下車架的應力和應變云圖如圖9和圖10所示，與彎曲工況類似，較大應力也出現(xiàn)在車架前后加載處，最大應力值為 320.642 MPa，最大變形出現(xiàn)在前橫梁加載兩端為30.244 mm。

2.3 結(jié)果分析

▲圖5 車架的加載和約束示意圖

▲圖3 車架有限元模型

▲圖4 車架局部網(wǎng)格放大圖

▲圖6 彎曲工況車架應力云圖

▲圖7 彎曲工況牽引座處應力云圖

▲圖8 彎曲工況車架應變云圖

▲圖9 扭轉(zhuǎn)工況車架應力云圖

通過靜態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，車架在彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況下的應力值和應變主要發(fā)生在前后端加載處。兩種工況下的最大應力為 320.642 MPa，小于材料的許用應力，滿足強度要求；扭轉(zhuǎn)工況下車架前橫梁的變形較大為30.244 mm，滿足剛度要求。從整體來看，車架中間縱梁和橫梁存在很大的強度裕量，給車架的輕量化設(shè)計提供了很大的空間。

▲圖1 0 扭轉(zhuǎn)工況車架應變云圖

3 車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)靜力分析結(jié)果，車架中間縱梁存在很大的強度和剛度裕量，材料的承載能力沒有得到充分的利用。因此，根據(jù)ANSYS所提供的優(yōu)化方法及APDL語言所具有的較強參數(shù)化分析功能，對車架縱梁重新建模，以縱梁為優(yōu)化設(shè)計對象，選取滿足彎曲工況進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以尋求更為合理的縱梁結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 優(yōu)化設(shè)計模型的建立

車架整體材料一致，要求質(zhì)量最輕即體積最小，所以優(yōu)化的目標為縱梁的體積。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)體積達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)自重的目的，當完成結(jié)構(gòu)分析后，結(jié)構(gòu)體積可在后處理中通過建立單元體積表，然后通過單元總體積算出結(jié)構(gòu)的總體積［8-10］。以體積最小為目標函數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題用數(shù)學模型描述：

式中：X=［x1，x2，...，xn］T為影響體積的設(shè)計變量； 體積函數(shù) f（x）為目標函數(shù)；hv（x）為等式約束函數(shù)；gv（x）為不等式約束函數(shù)，約束條件為應力約束、位移約束、局部穩(wěn)定、頻率約束和動響應約束等。

根據(jù)設(shè)計要求，選擇各構(gòu)件的截面尺寸和局部的布置尺寸作為設(shè)計的對象。通過前面的分析得知，車架設(shè)計時已經(jīng)充分考慮車架前端牽引部分的結(jié)構(gòu)和強度，而車架縱梁具有很大的優(yōu)化空間，因此選取縱梁進行優(yōu)化。車架縱梁為工字型梁，前端和后端高度不同，選取后端縱梁高度、前端縱梁高度、縱梁腹板厚度和上下翼板厚度為設(shè)計變量，取值見表1。通過改變這些尺寸來改變車架剛度的變化，使應力更加均勻，達到減重的目的。

表1 設(shè)計變量參數(shù)表

3.2 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計要求，約束函數(shù)可以是結(jié)構(gòu)的應力或位移，也可以是結(jié)構(gòu)的固有頻率。為了得到盡可能符合實際需要，設(shè)計時必須選擇合適的狀態(tài)變量。本文在優(yōu)化設(shè)計中，狀態(tài)變量取材料的最大許用應力作為限制，構(gòu)成優(yōu)化設(shè)計中的約束，即性能約束。循環(huán)在第27次迭代達到最優(yōu)解，優(yōu)化前后縱梁各尺寸、最大應力和體積的變化見表2。

經(jīng)計算校核，優(yōu)化后的車架強度滿足設(shè)計要求。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，體積由1.04×108mm3下降到0.82×108mm3，減小21.3%，車架質(zhì)量約減小349 kg，優(yōu)化后車架質(zhì)量為3 019 kg。從表2可以看出，減小縱梁后端高度是車架減重的主要途徑。

表2 優(yōu)化前后車架總質(zhì)量及變化率

4 結(jié)論

筆者運用有限元分析軟件 ANSYS對車架進行了靜力分析，車架應力較大部位發(fā)生在前后加載處，中間部位有很大的性能余量。為實現(xiàn)車架的輕量化，以縱梁為優(yōu)化目標進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,通過對縱梁高度和板厚進行尺寸優(yōu)化，車架質(zhì)量減輕了349 kg，大幅提高了氣瓶運輸車天然氣的容積率，降低了氣體運輸成本，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益,同時，也為其它車架的設(shè)計與改進提供理論參考和技術(shù)支持，具有重要的現(xiàn)實意義。

［1］ 朱容慶.重型載重汽車車架輕量化設(shè)計研究［D］.武漢：武漢理工大學，2006.

［2］ 尹輝俊.重型自卸車車架的有限元分析及其早期斷裂原因分析［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［3］ 姜勇，顧洪樞，張文明.基于ADAMS的鉸接式自卸車剛?cè)狁詈蟿恿W建模與仿真分析 ［J］.有色金屬 （礦山部分），2014,66（3）：64-67.

［4］ 李正網(wǎng).基于ANSYS的重型貨車車架結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化研究［D］.重慶：重慶交通大學，2009.

［5］ 楊學軍.SGA3722礦用汽車車架異常斷裂的分析［D］.北京：北京科技大學，2006.

［6］ 張朝暉，王富恥，王魯，等.ANSYS工程應用范例入門與提高［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［7］ 譚繼錦.汽車有限元法［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［8］ 于國維.汽車起重機車架結(jié)構(gòu)件參數(shù)化建模程序開發(fā)［D］.長春：吉林大學，2008.

［9］ 李峻，于學兵，張昆.汽車車架的優(yōu)化設(shè)計方法［J］.機械設(shè)計與研究，2005，34（2）：39-41.

［10］馮國勝，劉玉杰，劉鵬.冶金專用車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計［J］.系統(tǒng)仿真學報，2006，18（2）：537-539.