車前，賀洋洋，陳文博，劉靜，梁博文

（陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

1 引言

汽車輕量化是目前各個車企的主要研究對象，各大主機廠在推出換型換代車型時，都會對整車的重量作出嚴格的要求。而且隨著國家對環(huán)境的重視以及目前已經(jīng)出臺新的汽車尾氣排放法規(guī)要求，使得用戶越來越重視車輛載貨的重量以及汽車的油耗，如何降低整車重量、減小油耗已經(jīng)是各大車企的主要關注點。目前各大車企主要通過采用新材料、新工藝、新結(jié)構等方式來對汽車零部件進行輕量化的設計。

本文主要介紹了通過采用高強度鋼材料代替普通鑄鋼、結(jié)構優(yōu)化等方式對某重型卡車的變速箱支架進行輕量化結(jié)構的設計，并利用有限元分析軟件Hyperworks 對原有結(jié)構及輕量化結(jié)構進行分析。驗證輕量化結(jié)構的可行性，通過分析得出在滿足強度要求及裝配要求的同時可以對原有結(jié)構進行輕量化結(jié)構設計。

2 數(shù)據(jù)模型的建立

2.1 三維數(shù)模的建立

變速箱左右支架作為變速箱與車架連接的重要組成部件，對變速箱的靜態(tài)平衡、支撐及運行有著重要作用，其通過螺栓連接在車架上。圖1 為裝配關系圖。

圖1 左右支架裝配關系

輕量化前左右支架采用的材質(zhì)、屈服強度、彈性模量、泊松比、密度重量如表1 所示。

表1 輕量化前各種數(shù)據(jù)表

2.2 有限元模型的建立

本文采用Hypermesh 軟件進行有限元模型的建立，為減少計算規(guī)模提高計算精度，對模型原有的結(jié)構進行簡化處理，對分析過程中影響較小的部分進行簡化，如簡化圓角的設計、簡化倒角設計等，將簡化后的結(jié)構另存為STP 格式的導入到Hypermesh 軟件中采用四面體網(wǎng)格劃分模塊，對模型進行有限元網(wǎng)格劃分，得到圖2 所示的有限元模型。

圖2 有限元模型

3 有限元分析

3.1 分析工況與加載

（1）約束條件：約束與車架連接的兩個螺栓的6 個自由度后進行靜態(tài)有限元分析。

（2）載荷條件：靜態(tài)分析情況下，變速箱支架的受力情況為向下6000N 的力，故在有限元分析時對變速箱支架施加負Z 向6000N 的力。

按照上述的約束條件及載荷條件利用Hypermesh 軟件進行載荷的添加后，對其結(jié)構進行受力分析及安全因子、位移情況的計算[2]。

通過OptiStruct 求解器進行求解后，得到最大位移為0.083，位移云圖如圖3 所示；最大的應力為108.55MPa，安全因子為2.49，應力云圖如圖4 所示。

圖3 位移云圖

圖4 應力云圖

通過有限元分析得到以下結(jié)論：原有設計結(jié)構的最大應力值為108.55MPa，小于材料的屈服強度270MPa。安全因子等于屈服強度除以最大應力值為2.49，大于1，滿足結(jié)構強度要求。

4 輕量化設計

通過上述的有限元分析，原有的結(jié)構強度滿足要求，且安全因子比較高，結(jié)構的強度滿足輕量化要求，可以對其進行結(jié)構優(yōu)化設計，在滿足強度的前提下盡可能地完成整車質(zhì)量的降低。

4.1 輕量化結(jié)構

以原有設計結(jié)構為基礎，在原有結(jié)構上進行材料的去除及結(jié)構的優(yōu)化設計，并采用鑄鋼RZG310-570 材質(zhì)，考慮到其裝配關系及強度要求，對其進行結(jié)構進行輕量化設計，得到如圖5 所示的輕量化結(jié)構。

圖5 輕量化后結(jié)構

RZG310-570 材質(zhì)的屈服強度為310MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7860kg/m3。

4.2 輕量化后有限元分析

按照前面所述的設計工況將輕量化的結(jié)構導入到Hyper-mesh 軟件中進行有限元分析，通過OptiStruct 求解器進行求解后，得到最大位移為0.122，位移云圖如圖6；最大的應力為139.05MPa，安全因子為2.23，應力云圖如圖7 所示。

圖6 輕量化結(jié)構位移云圖

圖7 輕量化結(jié)構應力云圖

4.3 分析對比

輕量化后結(jié)構的產(chǎn)品重量、應力值、位移、安全系數(shù)變化對比見表2。

表2 輕量化前后對比

結(jié)論分析如下：

（1）輕量化方案位移相比原結(jié)構增大0.039mm；

（2）輕量化方案最小安全因子相比原方案減小0.26，但二者最小安全系數(shù)均大于1，結(jié)構強度滿足要求；

（3）輕量化方案質(zhì)量相比原方案減輕53.74%，達到了輕量化的要求。

5 結(jié)論

本文建立了某重型載貨汽車變速箱支架的有限元模型，利用 Hyperworks 軟件對其優(yōu)化前結(jié)構及輕量化結(jié)構進行了靜力分析對比，最終在滿足結(jié)構強度及裝配要求的前提下，使原有設計零部件產(chǎn)品重量減輕了53.74% 。本文的分析過程和結(jié)果為支架零件的輕量化設計提供了思路，對輕量化設計具有一定的指導作用[3]。