基于ANSYS+Workbench的某轻型货车车架轻量化设计

第２９卷第３期

２ｏ１青岛大学学报（工程技术版）ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＱＩＮＧＤＡｏＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｅ＆Ｔ）Ｖ０１．２９Ｎｏ．３Ｓｅｌ）．２Ｏ１４４年９月

文章编号：１００６９７９８ｒ２０１４）０３００７００７；ＤＯＩ：１０．１３３０６／ｊ．１００６９７９８．２０１４．０３．０１４

基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的某轻型

货车车架轻量化设计

朱晓鹏，张纪鹏，程联军，邹荣国，彭

ｆ青岛大学机电工程学院，山东青岛２６６０７１）

摘要：针对汽车车架的轻量化设计问题，本文采用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对某轻型货车的

车架进行静态分析，利用ｕＧ软件建立车架有限元模型，对车架悬架的边界条件进行处

理，并根据静态分析结果，通过在横梁上添加减重孔，减薄纵梁壁厚的轻量化方法对车架

进行轻量化改进，同时，在４种不同工况下，对改进后的车架进行强度和刚度分析，分析结

果表明，４种工况下的车架强度和刚度均满足设计要求，而且在满足强度和刚度要求的前

提下，与改进前的车架质量相比，改进后的车架质量减少了１１．４２％，达到了车架轻量化

的设计目的，因此改进后的车架动态特性满足要求。

关键词：轻型货车车架架；ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件；有限元分析；结构优化

中图分类号：Ｕ４６３．３２文献标识码：Ａ升

目前，环境污染已成为人类社会共同关注的问题，而汽车的尾气排放是造成环境污染的重要因素。汽车结构轻量化对于节能和环保均有重要意义。大量实验和实践证明，汽车轻量化是降低汽车排放和减低燃油消耗率的最有效措施之一。近年来，国内研究人员对汽车结构件的研究已经从传统的依靠经验转为利用有限元软件进行设计研究。汽车车架是发动机、底盘、车身等各主要总成的安装基体，其承受着这些总成的重力及它们传递到车架的力。车架的可靠性关系到汽车能否正常运行及司乘人员的安全。在保证车架的强度和刚度满足要求的前提下，减轻车架的质量不仅可以节约原材料，降低生产成本，而且还能降低燃油消耗率，减少排放，有利于环保‘１＿…。因此，本文利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对某轻型货车的车架进行静态分析，并根据静态分析结果，采取相应的轻量化措施对车架进行了轻量化，并对轻量化后的车架进一步进行有限元分析，分析结果满足设计要求，汽车车架达到了轻量化的目的。

１车架有限元模型的建立

某轻型货车的车架是由左右２根纵梁和８根横梁组成的

边梁式车架，其中，２根纵梁的截面形状为槽形，除了第２和第

３根横梁为圆柱形结构外，其余６根纵梁均为槽型截面结构。

车架总长为５ｏｏｏｍｍ，高１５５ｍｍ，宽１０１０ｍｍ，重３８７．１ｋｇ。

整个车架的纵梁和横梁由薄壁件组成，提取中性面建立

实体模型，纵梁和横梁之间采用刚性联接。在尊重实际和不

影响精度的前提下，对模型进行必要的简化，忽略车架左右纵

梁上大量的工艺孔，将过渡圆角和倒角简化为直角。利用

ＵＧ软件建立的车架三维模型，结果如图１所示。

０４一０９图１车架三维实体模型收稿日期：２０１４０３０５；修回日期：２０１４

作者简介：朱晓鹏（１９８９），男，山东日照人，硕士研究生，主要研究方向为车辆节能减排及新能源。通讯作者：张纪鹏ｒ１９５６）．男．教授，硕士生导师，主要研究方向为车辆节能减排及新能源。

第３期朱晓鹏，等：基于ＡＮｓＹｓｗ。ｒｋｂｅｌｌｃｈ的某轻型货车车架轻量化设计

在进行有限元分析时，以ｓ０１ｉｄｌ８７为单元类型，以结构钢Ｑ２３５为材料分析类型，屈服强度为２３５ＭＰａ，杨氏模量为２１１ＧＰａ，泊松比为ｏ．３，建立有限元模型，并采取自由网格划分方式对模型进行网格划分，单元尺寸控制为５０，最小边缘长度为５ｍｍ。将建立的三维实体模型以ｉｇｓ导出后再导入ＡＮｓＹｓｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，得到车架有限元模型如图２所示；以自由网格划分方式得到的有限元网格模型如图３所示，共生成６９个节点，２９３８１个单元。４５２

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图２车架有限元模型；八。图３车架有限元网格模型

２车架边界条件处理

车架悬架系统分为前悬架和后悬架两部分，前悬架是钢板弹簧，后悬架采用主副钢板弹簧，为了便于分析计算，本文采用简化处理的方法将钢板弹簧划分为８个支座吊耳，未将钢板弹簧在模型中画出，静力分析采用刚性支撑。将约束条件施加在各支座与吊耳链接的８个孔面上。其中，将左边纵梁最前端支座的孔面采取完全固定的约束方式，即限制其ｘ，ｙ，Ｚ轴３个方向的自由度（ｘ轴为车架的横梁方向，ｙ轴为车架的垂直方向，Ｚ轴为车架的纵梁方向）；左边纵梁最后一个支座的孔面施加Ｘ，ｙ两个方向的约束，即限制其横向和垂向位移，允许其纵向移动。右边纵梁最前端的支座处限制Ｚ轴方向的移动，即限制其在总量方向上的自由度，故施加ｙ，ｚ两个方向的约束。其余５个支座则采取垂直方向的约束，防止车架位移，车架上的铆接处均按照刚性连接来处理。

３满载弯曲工况下的加载和求解

由于货车的实际工况比较复杂，所以货车车架所承受的载荷也比较复杂。发动机、油箱、驾驶室、变速箱等部件均按照实际位置进行载荷的加载，并以大小不同的均布载荷施加在相应的位置，而货箱满载时的载荷也按照大小不同的均布载荷的形式施加在相应的位置，以上均布载荷均施加在纵梁上，然后在相应的细节框格中输入各个不同的载荷值即可。

该轻型货车的额定载荷为６ｔ，载荷按各部件对车架的载荷差异，以大小不同的均布载荷施加在车架纵梁的相应位置。各均布载荷值ｆＭＰａ）计算公式为

ｇ—ＦｆＳ（、）

式中，Ｆ为作用在相应面上的集中力，Ｎ；Ｓ为相应面的面积，ｍｍ２。

各重要部件作用在纵梁上的均布载荷分别为：货箱载荷值为（）．０６１ＭＰａ，驾驶室的均布载荷值为ｏ．０２４ＭＰａ，发动机均布载荷为ｏ．０４０ＭＰａ，油箱均布载荷为ｏ．０１１ＭＰａ，变速箱均布载荷为ｏ．０１３ＭＰａ。

由于模型尺寸比较大，划分网格后的节点和单元数目也较多，通过各方面的分析和比较，求解方法采用预条件共轭梯度法，精度等级为１级，此级别相当于公差为ｏ．ＯＯｏ１ｍｍ。

４车架静态分析

通过ＡＮｓＹｓｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的后处理模块，得到车架的等效应力云图如图４所示，车架等效应力放大图如图５所示。

７２鼷二～青岛大学学报（工程技术版）第２９卷

图５车架等效应力放大图

由图４可以看出，车架承受的最大应力为５２．７４９

ＭＰａ，最大应力发生在左、右侧纵梁最末端支座与吊耳链接

孔的边缘处，这是由于在满载情况下，车架纵梁后端受力较

大，再加上支座与吊耳相接触的孔边缘处易发生应力集中，

所以此处应力比其他部位大；由等效应力云图还可以看出，

靠近发动机处和靠近驾驶室的中问位置应力也比较大，这

是由于驾驶室处安放了发动机、变速箱等质量相对较大的

部件，这些部件以重力形式作用在相应的支撑处，使这２个

位置的应力比较大。车架总体变形云图如图６所示。

由图６可以看出，车架中部变形较大，最大变形发生在衔嬲珊Ｉ肾－嬲？！”．、ｌ遴嚣ｉ曛鬻…“、—≮、～一～≮ｏ伊’＝焉。。””１■‰。“…、…～’图６车架总体变形图～

最后１根横梁处，其大小为ｏ．８０５ｍｍ。而驾驶室处变形较小，这是由于车架中部承受了较大的载荷，即货箱载荷，且中部刚度较小，而车架前部则是发动机和变速箱等，虽然载荷相对较大，但是此处的刚度比中部大很多，因此中部的变形比较大，而车架驾驶室处变形相对较小。从车架的总体变形云图还可以看出，车架变形的最大位置位于最后１根横梁及其附近位置，这是由于最后１根横梁处并没有相应的支撑件，而此处又承受来自货箱的载荷，因此比较容易发生变形。该车架材料的屈服极限为２３５ＭＰａ，由有限元计算方法得出的最大应力为５２．７４９ＭＰａ，根据强度安全系数计算公式

扎一仃；／仃…

可得强度安全系数为４．４６，安全系数大于１，说明车架结构存在较大的安全裕度，因此可进一步优化。（２）

５基于轻量化车架结构的优化改进

对汽车零部件的结构优化可以通过使部件中空化、薄壁化、小型化和复合化达到目的。对于该轻型载货货车，主要从减薄壁厚和添加减重孔来降低质量。

１）减薄壁厚。将纵梁壁厚由５ｍｍ减少为３ｍｍ。

ｍｍ舞‰；２）在横梁上开孔。第１根横梁添加直径为８０

的圆孔，第４～７根纵梁添加直径为７５ｍｍ的圆孔。

通过以上优化改进，纵梁壁厚减少２ｍｍ，使整个车架

的质量由原来的３８７．１ｋｇ减少到３４２．９ｋｇ，质量减少了

４４．２ｋｇ，与车架原来的质量相比减少了１１．４２％。改进后

的三维模型导入ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ，得到有限元模型如

图７所示。

５．１图７改进后车架有限元模型图弯曲工况

弯曲工况是行车过程中最常遇到的一种工况，车架的强度是否满足，同弯曲工况强度相关程度较大，因

第３期朱晓鹏，等：基于ＡＮｓＹｓｗ。ｒｋｂｅｎｃｈ的某轻型货车车架轻量化设计７３此，有必要对弯曲工况下车架强度进行有限元分析。弯曲

工况分析主要研究货车满载状态情况下，对汽车两轮着地

时进行汽车结构强度和刚度的校核，模拟货车在良好路面

下匀速直线行驶时的变形和应力分布情况［３］。此种工况

下，车速一般较高，动载系数可取２．５。改进后的车架进行

有限元分析，仍按照改进前车架划分网格的方法，材料属性

和网格尺寸控制等都保持不变，划分后的有限元模型节点

由原来的６９４５２个增加到７２９４２个，单元数量由原来的

２９３８１个增加到３２１０４个。改进后车架划分网格后的局图８改进后车架划分网格局部放大图部放大图如图８所示。

改进后的车架，边界条件和加载荷的大小、位置和方向与改进前完全相同。车架改进之后的等效应力云图如图９所示，总体变形图如图１０所示。

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图９改进后车架的等效应力云图图１０改进后车架的总体变形云图

从图９可以看出，车架的最大应力由原来的５２．７５ＭＰａ增加到了７６．７９ＭＰａ，增加了２４．０４ＭＰａ，比原来增加４５．６％，最大应力发生在第５根横梁左右两端与纵梁相交处，这主要是由于车架质量减轻，车架纵梁变薄，而受力情况并没有发生变化致使车架中部ｆ即第５根横梁附近）产生较大的应力。

从图１０可以看出，车架的最大变形则由原来的ｏ．８０５ｍｍ增加到１．２６８ｍｍ，增加了ｏ．４６３ｍｍ，比原来增加了５７．５％，但是最大变形的发生部位并无太大变化，其他位置的变形也有相应的增大，而各位置变形的相对大小变化不大，这主要是由于车架的整体结构并无太大的变化，但是质量却相应的减少，进而导致变形有不同程度的增大。轻量化后的车架最大变形仍然小于车架允许的最大变形量５ｍｍ，满足刚度要求。由强度安全系数计算公式

ｎ一仃；／仃…

得到车架的强度安全系数为３．０６，大于允许的安全系数１，故满足强度要求。

５．２（３）扭转工况

扭转工况分析时，模拟两对角车轮固定而另外两对角车轮悬空。在崎岖的路面上汽车遭受最剧烈的扭转工况，此种工况下，汽车车速一般较低，通常惯性载荷较小，此时动载荷系数取１．３。进行分析计算时，约束左侧纵梁前２个吊耳孔处的ｘ，ｙ，ｚ方向位移，约束右侧纵梁后２个吊耳孔处的ｘ，ｙ，ｚ方向位移。经过计算得到最大应力为１０４．１ＭＰａ，强度安全系数扎一２．２５，大于允许的安全系数１，最大变形为１．６４ｍｍ，小于最大允许变形量５ｍｍ，满足设计要求。

５．３紧急制动工况

汽车在正常行驶的情况下，其前、后轮的垂直载荷按照质心进行分配。当汽车进行制动时，由于存在纵向力矩的作用，导致垂直载荷在前、后轮上的力发生变化。而前、后轴对车架垂直载荷的大小与地面对车轮的垂直反作用力的大小相接近，故可通过作用于汽车前、后车轮的地面垂直反作用力的大小对车架前后垂直

７４青岛大学学报（工程技术版）第２９卷载荷进行重新分配阻］。紧急制动工况主要分析当汽车以最大制动减速度ｏ．７ｇ制动时，地面制动力对车架的作用。紧急制动时，车架承受的制动力按质心分配在前后轴上，此时动载荷系数取１．２。约束条件与满载静态弯曲相同，施加载荷时，除了满载静态时的载荷外，分别在左右两纵梁的吊耳孔处施加制动力Ｆ。。经过计算，最大应力为１２９．１ＭＰａ，强度安全系数玎一１．８２，大于允许的安全系数１，最大变形为２．５８ｍｍ，小于最大允许变形量５ｍｍ，满足设计要求。

５．４紧急转弯工况

汽车紧急转弯时，由于离心力作用而产生侧向载荷，因此必须要求车架具有足够承受侧向载荷能力［７］。在正常行驶的情况下，汽车在左、右车轮的垂直载荷是按质心分配。由于侧倾力矩的作用，汽车在转弯时使垂直载荷在左、右车轮上的力发生变化。前、后轴作用于车架的垂直载荷的大小与地面对车轮的垂直反作用力的大小大致相等，因此左右垂直载荷的重新分配可通过汽车作用于前、后轴的左、右轮的地面垂直反作用力来确定。紧急转弯情况下，车架还受等效离心力的作用，离心力根据质心所在位置分配到前、后悬架的侧倾纵中心上，动载荷系数取１．２［８］。

分析计算时，约束条件与车架静态满载弯曲时的约束条件一致。通过计算可得最大应力为１２７．ｏＭＰａ，强度安全系数，ｚ一１．８５，大于允许的安全系数１，最大变形为２．６３ｍｍ，小于最大允许变形量５ｍｍ，满足设计要求。

５．５改进后车架的模态分析

在进行车架结构设计时，要保证车架的低阶频率介于发动机怠速运转频率和非簧载结构的固有频率之问，以防止整体共振的发生；车架弹性模态频率也应避开发动机经常工作的频率范围。车架激励一般来源于路面和发动机。路面的激励频率多在２０Ｈｚ以下［９］，该车发动机的怠速为９００ｒ／ｍｉｎ，相应发动机的爆发频率为３０Ｈｚ，发动机正常工作时经常使用发动机转速为１

４６２００～１４００ｒ／ｍｉｎ，相应的发动机爆发频率为４０～Ｈｚ。模态分析主要用来获得结构的固有频率和振型，而结构的固有频率和振型对于承受动态载荷的结构是十分重要的参数，可以作为动力学分析的基础。根据模态分析理论，通常大型的工程结构，由于低阶振动对结构的影响最大，因此，结构的模态分析只要计算前几阶较

低的固有频率和振型即可［１…。

本文结合车架的实际结构及载荷情况，计算分析了车架结

构的前６阶模态固有频率和振型。对车架进行自由模态分析，

得到前６阶模态固有频率如表１所示，前６阶模态振型如图１１

所示。阶数１２３表１车架前６阶固有频率频率／Ｈｚ３５．５６６５１．９５１５５．４２５阶数４５６频率／Ｈｚ５７．１２１６９．３５４６９．８３０

通过对车架的模态分析，得到了车架的前６阶固有频率和振型。分析结果表明，车架的前６阶固有频率高于路面的激励频率（２０Ｈｚ以下Ｌ从而使车架避开了发生低频共振的可能性；该货车发动机正常工作时的爆发频率为４０～４６Ｈｚ，车架１阶模态固有频率为３５．５７Ｈｚ，车架２阶模态固有频率为５１．９５１Ｈｚ，避开了发动机正常工作时的爆发频率，避免了发动机正常工作时发生共振，故改进后的车架动态特性满足要求。

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