李軍,李勇

(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 238000 )

0 引言

由于農(nóng)用車存在車架強度不足及剛度不合適的問題，導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)大梁斷裂或疲勞損害等現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重影響農(nóng)用車的使用壽命和可靠性，造成極大的安全隱患。再者，農(nóng)用車車架在設(shè)計和生產(chǎn)方面表現(xiàn)出與整車性能不匹配的現(xiàn)象，優(yōu)化車架性能是提高整車性能的關(guān)鍵。當(dāng)車架出現(xiàn)問題時，設(shè)計人員一般是采用經(jīng)驗法對車架進行改良設(shè)計，例如增大鋼板厚度、在斷裂部位添加加強筋等，但該改良流程存在很大的盲目性和周期過長等缺點，難以適應(yīng)現(xiàn)代高效設(shè)計要求。

1 車架的功用及其類型

車架俗稱“大梁”，是汽車所必須具備的一副“骨架”，也是汽車的裝配基體。車架的功用主要包括兩點：①支承、連通接汽車的各總成和零部件；②承受行駛過程中車內(nèi)外的各種載荷作用。

為了使車架具備上述功能和滿足使用要求，汽車車架應(yīng)具備以下特性：

(1)有較高的彎曲剛度。汽車在行駛過程中承受各種靜、動載荷，只有具備了較高的彎曲剛度才能保證車架在復(fù)雜受力工況下不至于變形過大而失去正常工作的能力。

(2)有適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)剛度。當(dāng)汽車在不平路面上行駛時，地面的不平度使得車身沿縱向扭轉(zhuǎn)，為了提高汽車對路面的適應(yīng)性以及汽車的通過性和平順性，車架應(yīng)當(dāng)具有適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)剛度。實際上，為了滿足上述要求，車架一般被設(shè)計為兩端扭轉(zhuǎn)剛度較大而中間扭轉(zhuǎn)剛度較小的結(jié)構(gòu)。

(3)有足夠的強度。為了使車架能承受得住各種工況下的復(fù)雜載荷，保證車架不受破壞，對此要求車架具有足夠的抗疲勞、耐沖擊強度，從而避免車架在三級維護里程內(nèi)出現(xiàn)嚴重的疲勞損傷。

(4)有較小的質(zhì)量。為了具備較高的彎曲剛度、適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)剛度和足夠的強度特性，車架往往被設(shè)計為質(zhì)量較大、鋼板消耗較多的產(chǎn)品。為了達到節(jié)能減排目的，現(xiàn)代汽車的車架應(yīng)該滿足小質(zhì)量、高性能的要求，在保證充分強度和剛度的前提下，盡可能減小車架的質(zhì)量。

因此，車架是一個形狀復(fù)雜以及對強度、剛度等性能要求較高的彈性結(jié)構(gòu)。

車架按照結(jié)構(gòu)形式的不同分類，主要有邊梁式車架、中梁式車架、綜合式車架和無梁式車架。

2 國內(nèi)農(nóng)用車車架存在的問題

農(nóng)用運輸車的簡稱是農(nóng)用車，其定義是以柴油機為動力，在農(nóng)村或野外道路進行貨物運輸?shù)牡退贆C動車，一般分為三輪農(nóng)用車和四輪農(nóng)用車兩種。相對而言，農(nóng)用車保留了拖拉機原有的農(nóng)田作業(yè)和動力輸出等功能，在此基礎(chǔ)上還提高了運輸能力、駕駛條件和行駛速度。

據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)今從事農(nóng)業(yè)的人口約為2億，而農(nóng)用車的保有量超過2 000萬臺，平均10戶農(nóng)戶擁有一輛農(nóng)用車。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)貨物運輸?shù)葎趧幼鳂I(yè)超過半數(shù)以上是依靠農(nóng)用車來完成。根據(jù)2020年的國家數(shù)據(jù)統(tǒng)計：國內(nèi)的城鄉(xiāng)貨物運輸總量超過240億t，而農(nóng)村農(nóng)田的場地運輸總量超過410億t，并且每年還以10%以上的速度增長。據(jù)估計，未來的10年時間農(nóng)用車的保有量可能增大2～3倍，將達到6 000萬輛的規(guī)模，表現(xiàn)出巨大的市場潛力。截止至2020年底，國內(nèi)從事農(nóng)用車生產(chǎn)的企業(yè)有230家以上，企業(yè)數(shù)量的年增長率約5%，生產(chǎn)的農(nóng)用車類型多達2 500種，位居世界首位。國內(nèi)的農(nóng)用車銷售地區(qū)主要集中在農(nóng)村和郊外，尤其是山區(qū)和丘陵地帶。由于采用了柴油機，農(nóng)用車比一般的汽油運輸車便宜，且具有油耗低和馬力大等特點，深受廣大農(nóng)民的歡迎，在城鄉(xiāng)一體化建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用。

進入21世紀后，我國農(nóng)用車市場前景廣闊、發(fā)展迅猛，但存在品種單一、設(shè)計水平低、科技含量不高等缺點。隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，用戶對農(nóng)用車的要求越來越高，在車輛的可靠性、耐用性、舒適性等方面提出了更高的要求。為了擴大市場、提高企業(yè)的競爭力、減小國外先進農(nóng)機技術(shù)的沖擊，國內(nèi)農(nóng)用車企業(yè)應(yīng)重點解決以下幾個問題：

(1)在城鄉(xiāng)路段、丘陵和山區(qū)地帶，由于路況較為惡劣導(dǎo)致農(nóng)用車車架經(jīng)常出現(xiàn)斷裂和嚴重變形等事件的發(fā)生，使其無法達到設(shè)計壽命要求。

(2)傳統(tǒng)農(nóng)用車在設(shè)計階段幾乎不考慮底盤系統(tǒng)與行駛路面激勵耦合問題，造成了底盤車架振動過大。

(3)傳統(tǒng)的底盤系統(tǒng)為了提高車架的強度與剛度，幾乎是通過加厚鋼板來實現(xiàn)，導(dǎo)致車架越來越笨重，造成了材料的極大浪費，與當(dāng)今提倡的“節(jié)能型”技術(shù)主流相悖。

(4)車架技術(shù)含量低，基本是通過用戶反饋來進行結(jié)構(gòu)改進，沒有形成有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程。

因此，對車架的研發(fā)，尤其是農(nóng)用車車架的設(shè)計，需尋找一種新的設(shè)計和分析方法，突破傳統(tǒng)的設(shè)計思路，運用現(xiàn)代設(shè)計方法對農(nóng)用車車架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足使用性能和制造工藝前提下，增強車架的強度、提高剛度、降低生產(chǎn)成本、滿足節(jié)能減排要求。

3 國內(nèi)外車架的研究現(xiàn)狀

在日益嚴格的排放標準和環(huán)保要求的壓力下，全球汽車企業(yè)在降低車輛油耗、減少排放、提高安全性方面進行了大量的研究。從表層上看，在保證強度與剛度的前提下減小車輛質(zhì)量是降低油耗的有效方法;從更深的層面上看，減小車輛質(zhì)量還有助于降低有害物的排放和不可再生資源的消耗。

通過查閱大量文獻，總結(jié)了國外對車架進行有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究主要包括：

(1)對車架進行有限元靜力學(xué)分析，分析車架的剛度與強度，檢驗車架能否滿足設(shè)計要求。

(2)基于模態(tài)分析理論，對車架進行計算模態(tài)分析與試驗?zāi)B(tài)分析，研究車架本身的固有特性，為更深層次的結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)。

(3)對車架進行行駛過程中的瞬態(tài)分析，研究車架在路面激勵下的動態(tài)響應(yīng)，為底盤系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)提供依據(jù)。

(4)采用現(xiàn)代優(yōu)化方法，對車架進行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，進而提高車架的綜合性能、降低車架質(zhì)量。

國外學(xué)者從20世紀60年代起就開始運用有限元法對車架進行靜力學(xué)分析，并取得了良好的效果。Irwanto利用有限元法對車架進行模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果總結(jié)了車架的動態(tài)特性并提出了修正車架設(shè)計方案的思路。

另外，國外學(xué)者還對車架的動力學(xué)及疲勞特性等進行了分析。Lee等采用完全有限元法對開放式車架進行了強度性能校核，獲得了車架在加速、剎車、轉(zhuǎn)向和沖擊工況下的力學(xué)特性。

國內(nèi)對車架的研究要晚于國外，國內(nèi)在汽車車身、車架的結(jié)構(gòu)分析方面偏重于強度、剛度指標，主要以底盤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度、剛度試驗結(jié)果作為設(shè)計的關(guān)鍵指標，然后進行產(chǎn)品定型；而國外的汽車企業(yè)則將汽車車身、車架的強度、剛度、低階模態(tài)參數(shù)、質(zhì)量作為產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵指標，在綜合分析基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品定型。目前在國內(nèi)，眾多高校與企業(yè)對車架的研究主要集中在車架靜力學(xué)、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面。

以低速貨車車架作為研究對象，王暉云在ANSYS軟件中利用SHELL63號單元對車架進行網(wǎng)格劃分，對車架進行靜力學(xué)分析獲得了車架在不同工況下的彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布情況，并對車架的改進設(shè)計提出了合理的建議。汪隨風(fēng)運用 MSC.NASTRAN軟件對微型車車架進行了結(jié)構(gòu)有限元分析，獲得了車架的應(yīng)力分布、彎曲強度、剛度曲線以及模態(tài)特性和疲勞壽命，并利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬車架與墻壁的正面碰撞。以重型商用車的零部件優(yōu)化問題為研究背景，郭立群研究車架對整車靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度的影響，以及分析了可設(shè)計域內(nèi)的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)，在保證整車剛度不變前提下根據(jù)拓撲優(yōu)化理論對車架進行優(yōu)化設(shè)計，使車架質(zhì)量下降了15%。在對車架有限元模型進行加載載荷和設(shè)定約束基礎(chǔ)上，趙紫純根據(jù)有限元原理和利用Optistruct平臺對車架進行強度和剛度分析，獲得車架的應(yīng)力集中區(qū)域和位移變形最大位置，最后還對車架結(jié)構(gòu)進行強度和剛度評價。

4 國內(nèi)外農(nóng)用車車架的研究現(xiàn)狀

4.1 農(nóng)用車的結(jié)構(gòu)特點

農(nóng)用四輪運輸車能適應(yīng)農(nóng)村的野外作業(yè)環(huán)境，是經(jīng)濟性較強的農(nóng)村運輸工具。農(nóng)用運輸車主要從事農(nóng)村運輸活動，經(jīng)常在路況較差、路面凹凸不平的道路上行駛，因此底盤的振動較大、車架受力情況復(fù)雜、駕駛室的舒適性較差。如何保證農(nóng)用運輸車的安全性、耐用性和經(jīng)濟性已成為各大農(nóng)用車企的關(guān)注焦點。

圖1(a)為貨車，圖1(b)為農(nóng)用運輸車，簡稱農(nóng)用車。低速貨車與農(nóng)用車在外觀上有很大的相似性，但兩者在車輛結(jié)構(gòu)和作業(yè)對象方面有明顯的差別。低速貨車的定義是：以柴油機為動力，最高設(shè)計車速不大于70 km/h，最大載貨質(zhì)量小于4 500 kg，長度不大于6 m，寬度不大于2 m的四輪貨車。農(nóng)用車是適用于農(nóng)業(yè)運輸車輛的統(tǒng)稱，包括專門為農(nóng)業(yè)運輸所設(shè)計的車輛，以及將普通貨車改裝成為適應(yīng)農(nóng)業(yè)運輸?shù)膶Ｓ闷?。因此，農(nóng)用車包括了一般的低速載貨貨車和專用的農(nóng)用運輸車。

圖1 貨車與農(nóng)用車示意

相對普通貨車而言，農(nóng)用運輸車有以下幾個特點：

(1)以柴油機為動力，車架堅實牢固。一般采用越野花紋或低壓寬斷面輪胎，底盤離地間距較大、軸距較短、輪距較寬，具有良好的通過性和橫向穩(wěn)定性。

(2)有機械和液壓動力輸出裝置，能實現(xiàn)自動卸貨功能，另外還可以為多種專業(yè)運輸附屬裝置提供額外動力。

(3)變速箱擋次較多，一般配備高低擋雙級分動變速器。因此既可以在公路上快速行駛，也可以配合低速的農(nóng)業(yè)作業(yè)，甚至可以當(dāng)作大馬力拖車使用。

(4)駕駛室視野開闊，安全性高、操作性強。

(5)車廂結(jié)構(gòu)靈活多變，可安裝高箱板、罐式、箱式等車廂，拆裝方便。

4.2 農(nóng)用車車架的研究現(xiàn)狀

國外多年前就開始重視有限元法在農(nóng)用車車架結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用，并已經(jīng)取得了大量的研究成果。

為了獲得車架在載荷作用下的引力分布情況，Chuaymung等對輕型農(nóng)用運輸車進行了實驗測試與計算仿真，對單輪和雙輪懸空兩種工況進行詳細研究，并為車架結(jié)構(gòu)的改進提出了幾點建議。

在有限元商用軟件未開發(fā)年代，由于無法對農(nóng)用車車架的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布情況作定量計算，國內(nèi)農(nóng)用車生產(chǎn)企業(yè)對出現(xiàn)問題的車架基本是采取整體鋼板加厚和局部加強的方法，造成了材料上的浪費。隨著有限元技術(shù)在國內(nèi)的推廣，國內(nèi)企業(yè)和高?？蒲泄ぷ髡邔r(nóng)用車車架進行了大量的靜力學(xué)分析、動態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等計算。

5 試驗體系及內(nèi)容

全結(jié)構(gòu)體系如圖2所示，以農(nóng)用運輸車的車架為研究對象，在建立有限元模型基礎(chǔ)上，對車架進行了有限元靜強度分析、模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 全結(jié)構(gòu)體系

試驗的主要研究內(nèi)容和步驟安排如下：

(1)農(nóng)用車車架的有限元模型建立。根據(jù)農(nóng)用運輸車的作業(yè)環(huán)境和車架的結(jié)構(gòu)特點，在合理簡化基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件ANSYS建立車架的參數(shù)化模型。進行網(wǎng)格劃分后得到了完整的農(nóng)用車車架有限元模型，為車架的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析奠定了基礎(chǔ)。

(2)農(nóng)用車車架的靜強度有限元分析。利用ANSYS軟件對農(nóng)用車車架進行有限元強度性能分析，獲得滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況和滿載緊急制動工況下農(nóng)用車車架的位移分布云圖和應(yīng)力分布云圖，找到車架的應(yīng)力集中部位，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

(3)農(nóng)用車車架的有限元模態(tài)分析。根據(jù)農(nóng)用車的作業(yè)環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，對車架進行自由狀態(tài)和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，獲得車架的前10階固有頻率和對應(yīng)振型，對車架自由模態(tài)和約束模態(tài)的分析結(jié)果進行評價，找出車架結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的薄弱部位，并分析是否可能發(fā)生共振。

(4)農(nóng)用車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)車架的靜強度和模態(tài)分析結(jié)果，在確定目標函數(shù)、設(shè)計變量和約束條件基礎(chǔ)上，建立了農(nóng)用車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。根據(jù)實際條件，對農(nóng)用車車架進行以減重為目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

6 結(jié)語

為了增加農(nóng)用運輸車車架的強度和剛度，進而提高整車作業(yè)效率和可靠性，針對農(nóng)用車車架的靜強度與動態(tài)特性問題進行深入的研究。在總結(jié)國內(nèi)外車架研究歷史和現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件建立農(nóng)用車車架的有限元分析模型，根據(jù)實際情況分析了農(nóng)用車車架在滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況和滿載緊急制動工況下的靜力學(xué)特定，然后對車架進行了自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，最后利用梯度法對車架進行以減重為目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。此試驗的研究成果主要包括以下幾方面：

(1)根據(jù)農(nóng)用運輸車的作業(yè)環(huán)境和農(nóng)用車車架的結(jié)構(gòu)特點，在合理簡化基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件ANSYS建立車架的參數(shù)化模型。經(jīng)過詳細的對比分析后，采用Shell 63號板殼單元、Beam 188號梁單元和Combin 14號彈簧單元對車架進行網(wǎng)格劃分，得到了完整的農(nóng)用車車架有限元模型，為車架的靜強度分析和模態(tài)分析打下了基礎(chǔ)。

(2)根據(jù)農(nóng)用車的實際作業(yè)環(huán)境、行駛路況以及車架的結(jié)構(gòu)形式，利用ANSYS軟件對農(nóng)用車車架在滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況和滿載緊急制動工況下進行靜力學(xué)分析，用以校核農(nóng)用車車架的靜強度。靜強度分析結(jié)果顯示，滿載緊急制動工況下車架應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達到372.654 MPa，超過了材料的許用應(yīng)力。因此，必須對農(nóng)用車車架的相應(yīng)部位進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以消除應(yīng)力集中從而提高使用壽命和整車可靠性。

(3)利用有限元分析軟件ANSYS對農(nóng)用車車架進行自由模態(tài)分析,獲得了車架的模態(tài)參數(shù)，了解車架的動態(tài)特性，并找出了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱部位，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。約束狀態(tài)下，車架的第1階固有頻率24.943 Hz與柴油機怠速激勵頻率的1階諧量26.67 Hz接近；而車架的第4階固有頻率54.748 Hz則與柴油機怠速激勵頻率的2階諧量53.33 Hz非常接近。除此之外，車架的第1階固有頻率(24.943 Hz)分布在行駛路面的激勵頻率(0～25 Hz)范圍內(nèi)。

(4)在ANSYS軟件中建立農(nóng)用車車架的參數(shù)化模型，利用梯度法進行以減重為目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，車架的總質(zhì)量從原來的884.2 kg下降到802.3 kg，質(zhì)量下降了9.27%；最大應(yīng)力從原來的372.654 MPa下降到267.341 MPa；優(yōu)化后車架的前10階固有頻率都有提高，第一階固有頻率(29.394 Hz)高于路面激勵頻率的上限，避免了路面激勵共振的發(fā)生；第4階固有頻率從原來的54.748 Hz提高到60.022 Hz，由此與發(fā)動機怠速激勵頻率的2階諧量53.33 Hz距離變大，降低了發(fā)生共振的可能性。