摘 要：前軸工字梁是汽車中重要零部件，在確保車輛可靠性保持不變的情況下，對前軸工字梁的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計以減輕車輛質(zhì)量非常重要。使用UG對前軸工字梁進行3D建模，根據(jù)前軸工字梁在汽車實際運行中的特定工作條件及實際工況下進行力特性理論計算，使用Hyper Mesh軟件分析前軸工字梁在最大垂向力、最大扭轉(zhuǎn)工作和緊急制動條件下的流體動力學特性，以及在這三種不同工作條件下的前軸工字梁的流體動力學特性得到應(yīng)力云圖和位移云圖。在滿足前軸工字鋼的強度和剛度的前提下，使用Hyper Mesh的Shape Optimization模塊優(yōu)化前軸工字梁結(jié)構(gòu)及進行靜態(tài)和模態(tài)分析，以驗證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，從而降低前軸工字鋼的質(zhì)量，降低成本，提高整車性能。

關(guān)鍵詞：輕量化 靜力學分析 模態(tài)分析

為了確保汽車在行駛中的安全性和可靠性，某重型汽車前軸工字梁的設(shè)計過程必須滿足應(yīng)力和應(yīng)變要求，同時還要確保在汽車正常行駛過程中，前軸工字梁不會因局部集中應(yīng)力而發(fā)生塑性變形甚至破裂。前軸工字梁結(jié)構(gòu)相對復雜，特定行駛過程的工作條件也有所不同。以前的設(shè)計方法不能滿足準確計算某重型汽車前軸工字梁的應(yīng)力和應(yīng)變分布的要求。本設(shè)計使用先進的CAE分析技術(shù)，可以在各種工作條件下分析某重型汽車前橋工字梁的重量，而某重型汽車前橋工字梁的結(jié)構(gòu)通過分析可以獲得更準確的分析結(jié)果及進行優(yōu)化設(shè)計，為了將更輕的重量方案更有效地應(yīng)用于實際生產(chǎn)[1]。減輕體重并不是盲目地減重。對于某重型汽車前橋工字梁，減輕重量是基于以下事實：某重型汽車前橋工字梁的強度和剛度特性未受影響，壓力顯著降低。從降低汽車質(zhì)量的角度出發(fā)，本論文著重分析了幾種實際不同條件下的某重型汽車前軸工字梁力[2]。有幾種不同的工作條件，例如最大垂向力，最大扭轉(zhuǎn)力，緊急制動條件等。最大垂向條件是汽車在滿載情況下高速通過不均勻道路時施加到車軸上的力。而汽車緊急制動工況是指汽車在承受最大載荷的條件下緊急制動時車橋的受力情況。在這種情況下，某重型汽車前橋工字梁可以改變結(jié)構(gòu)而無需改變軸承強度，然后對某重型汽車前軸工字梁進行有限元建模，包括建立幾何模型、限制選擇單元和網(wǎng)格劃分。某重型汽車前軸工字梁的優(yōu)化設(shè)計主要從工字梁結(jié)構(gòu)中考慮[3]。在省略一些卸載的零件或從零件本身簡化或簡化不同零件的接頭后，優(yōu)化了某重型汽車前軸工字梁，而不會影響整體分析結(jié)果。比較靜態(tài)和模態(tài)分析，然后確定是否滿足要求，最后獲得最佳的輕量化方法。本文將研究某重型汽車前軸工字梁，在靜態(tài)分析和模態(tài)分析下以保持重量、成本和性能之間的平衡，并滿足某重型汽車前軸工字梁的強度。假定剛度，可以將有限元方法應(yīng)用于某重型汽車前軸工字梁的結(jié)構(gòu)分析和輕量化設(shè)計，而不會降低汽車的性能，去除一些多余的強度和剛度。最大限度地利用材料。同時，它有助于改善整車質(zhì)量及車輛性能，降低成本、降低能耗，減少污染物排放至關(guān)重要。

1 實施方案

通過對國內(nèi)外汽車行業(yè)發(fā)展及汽車輕量化現(xiàn)狀進行研究，對某重型汽車前軸工字梁的輕量化的設(shè)計，不僅能提升整車性能，而且能降低車輛成本，對汽車行業(yè)的發(fā)展都有著十分重要的意義。某重型汽車前軸工字梁只需要在改進的地方進行靜力學分析及模態(tài)分析，再結(jié)構(gòu)優(yōu)化，就能滿足汽車使用要求。具體實施方案為：

（1）對重型汽車前軸的受力特點進行分析，計算其在不同工況下的受力情況；

（2）使用UG對某重型汽車前軸工字梁建立三維模型，為建立其有限元模型做好準備工作；

（3）在Hyper Mesh軟件中，定義單元類型并賦予模型材料屬性，再進行網(wǎng)格的劃分并建立某重型汽車前軸工字梁的有限元模型；

（4）運用Hyper Mesh軟件，對某重型汽車前軸工字梁進行靜力學分析；

（5）運用Hyper Mesh軟件對某重型汽車前軸工字梁進行模態(tài)分析；

（6）運用Hyper Mesh優(yōu)化模塊對某重型汽車前軸工字梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以達到輕量化目標；

（7）完成后對已優(yōu)化的某重型汽車前軸工字梁模型進行有限元分析，驗證所得結(jié)果能否滿足某重型汽車前軸工字梁所需的要求。

2 實施

前軸受力的理論分析為車軸上的驅(qū)動力更加復雜。所接收的力不僅是垂直力，而且是扭轉(zhuǎn)力和切向力。在實際駕駛過程中對于受力，根據(jù)行業(yè)標準QC/T 513-1999，車軸在行駛中的受力確定以下三種典型條件。

（1）最大垂向力條件：車輛在滿載情況下高速通過不均勻道路時施加到車軸上的力；

（2）最大扭轉(zhuǎn)力條件：在滿載情況下，前軸在y軸方向上受到的兩個對向力；

（3）緊急制動狀態(tài)：車輛在滿負荷情況下緊急制動時施加在車軸上的力；

如果在上述某些條件下可以滿足車軸強度要求，則意味著在不同的工作條件下行駛時，車軸都可以滿足基本要求。

某重型汽車前軸工字梁的靜力學分析具體步驟如下：

（1）前軸工字梁幾何模型的建立。

（2）前軸工字梁有限元模型的建立及網(wǎng)格的劃分。

（3）前軸工字梁的強度評價標準。

（4）前軸工字梁結(jié)構(gòu)強度的計算及評價：對前軸工字梁受最大垂向力、最大扭轉(zhuǎn)力及緊急制動時進行仿真分析。

某重型汽車前軸工字梁的模態(tài)分析：

汽車車輛行駛的過程中，路面激振對汽車的振動系統(tǒng)影響的頻率應(yīng)處于0HZ到50HZ之間，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

通過對某重型汽車前軸工字梁的自由模態(tài)分析，了解該前軸工字梁的動力特性。在確定工字梁的實際安裝使用后，對前軸工字梁的約束模態(tài)分析可以更真實地反映前軸工字鋼的實際情況。可以簡化約束某重型汽車前軸工字梁實際狀態(tài)的條件，以將前軸上的兩個主銷孔和板簧中的中心孔固定。使用上面的某重型汽車前軸工字梁幾何模型的約束模式分析，在該狀態(tài)下，由于第一四階工字梁處于剛體狀態(tài)，所以主要分析第五至第十模態(tài)，模態(tài)振型圖如下：

從以上幾圖容易看到，在對某重型汽車前軸工字梁進行約束模態(tài)分析后，其固有頻率最低值為124.00HZ，不在0-50HZ的頻率范圍之內(nèi)，可知某重型汽車前軸工字梁在正常行駛過程中不會發(fā)生共振現(xiàn)象，說明該某重型汽車前軸工字梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計是符合要求的。

3 應(yīng)用效果

某重型汽車前軸工字梁的輕量化設(shè)計，是在不影響該車輛前軸工字梁的強度和剛度情況下通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減輕重量。本文通過使用Hyper Mesh軟件對某重型汽車前軸工模型進行優(yōu)化，以達到將某重型汽車前軸工字梁輕量化的目的。而且經(jīng)過優(yōu)化后，確保該模型必須滿足相關(guān)要求。

在目前的車輛優(yōu)化設(shè)計中，有兩種主要方法。一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過改變所用材料的結(jié)構(gòu)形狀及通過計算機軟件仿真分析來驗證優(yōu)化是否滿足要求，以降低汽車質(zhì)量來實現(xiàn)。第二是改變結(jié)構(gòu)件所用材料來實現(xiàn)。本文采用第一種方法，通過有限元軟件進行優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，并通過仿真分析來驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化是否滿足要求。

在對某重型汽車前軸工字梁進行力學測算時，測量其橫截面各項數(shù)據(jù)，與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的各數(shù)據(jù)進行對比，如圖2及表2所示。

綜上所述，通過結(jié)構(gòu)對比以及相應(yīng)的基本力學測算，此優(yōu)化方案為某重型汽車工字梁最佳截面優(yōu)化設(shè)計。所以對其進行靜力學分析以及模態(tài)分析。

在對某重型汽車前軸工字梁進行優(yōu)化后進行自由模態(tài)分析，計算出該車前軸工字梁從７至12階的模態(tài)振型圖，再分析該重型汽車前軸工字梁在優(yōu)化后能否滿足車輛行駛所需要求，經(jīng)自由模態(tài)分析后的模態(tài)振型圖如下所示：

（1）優(yōu)化后某重型汽車前軸工字梁的自由模態(tài)分析；

綜合以上分析結(jié)果可以得知，某重型汽車前軸工字梁經(jīng)優(yōu)化后的自由模態(tài)固有頻率最低值為125.25HZ，其工字梁自由模態(tài)固有頻率仍不在0-50HZ區(qū)間內(nèi)，該工字梁不會發(fā)生共振現(xiàn)象，因此該工字梁的優(yōu)化合理的。

（2）某重型汽車前軸工字梁優(yōu)化后的約束模態(tài)分析；

綜合以上分析結(jié)果可以看出，進行優(yōu)化后某重型汽車前軸工字梁的約束模態(tài)固有頻率最低值為57.45HZ，優(yōu)化后約束模態(tài)固有頻率仍不在0-50HZ區(qū)間之內(nèi)，故工字梁不會發(fā)生共振現(xiàn)象，所進行的優(yōu)化是合理的。

4 結(jié)論

（1）某重型汽車前軸工字梁在最大垂直力，最大扭矩和緊急制動條件下的理論計算和分析。在這些情況下，前軸的最大應(yīng)力值都未超過42CrMo對象的屈服極限。

（2）分別對某重型汽車前軸工字梁進行了自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，獲得了在不同條件下某重型汽車前軸工字梁的振動特性。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，前軸的最小固有頻率為124HZ，不在0-50HZ范圍內(nèi)。得知該重型汽車前軸工字梁不會由于地面激勵而有共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）使用Hyper Mesh對某重型汽車前軸工字梁進行輕量化設(shè)計。結(jié)果分析改善了前軸的結(jié)構(gòu)并降低了前軸的質(zhì)量。接下來，分析了優(yōu)化后的某重型前軸工字梁的自由和約束模態(tài)。通過比較分析之前的工字梁，優(yōu)化后的某重型前軸工字梁可以滿足各種性能要求。這意味著優(yōu)化后某重型汽車前軸工字梁是符合國家標準和行業(yè)要求的。

基金項目：柳州工學院課程思政示范課“汽車檢測與維修”（2022KCSZ009）研究成果。

參考文獻：

[1]王登峰.中國汽車輕量化發(fā)展（戰(zhàn)略與路徑）[M].北京：北京理工大學出版社，2015.

[2]侯占峰.汽車構(gòu)造[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[3]韋煥典.現(xiàn)代汽車配件基礎(chǔ)知識[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017.