基于ANSYS的汽车结构轻量化设计

农业机械学报

第36卷第6期

基于ANSYS的汽车结构轻量化设计

赵　韩　钱德猛

　　【摘要】　建立了基于ANSYS的某型号半挂车车架的有限元模型,并且进行了模拟实际工况的应力计算和试验验证。从有限元分析结果出发,形成了优化设计的数学模型,通过计算提出较为合理的车架轻量化设计方案。

关键词:车架　有限元法　优化设计中图分类号:U463132

文献标识码:A

ResearchonLightweightDesignofAutomobileStructureBasedonANSYS

ZhaoHan　QianDemeng(HefeiUniversityofTechnology)

Abstract

Thekindoffiniteelementmodeloftheframeofasemi2trailerwasestablishedbasedonANSYSandstresscalculationandexperimentvalidationsimulatingtheactualworkingconditionswereperformed.Thenthemathmodelofoptimaldesignwasformedfromtheanalysisresultoffiniteelementmethod.

Intheendtherelativereasonableprojectoflightweightdesignwasput

Theresultprovidedcertainguidancefunctionnotonlyforthe

forwardthroughcalculation.

techniciansofthefactoriesbutalsofortheusersoftheANSYS.

Keywords　Frame,Finiteelementmethod,Optimaldesign

　　引言

汽车结构的轻量化对汽车节能和环保都具有重要的意义。据统计,客车、轿车和多数专用汽车的车身质量约占整车自身质量的40%～60%。所以,减轻汽车自身的质量一方面节约了原材料,降低了生产成本;另一方面也降低了燃油消耗,减少了排放,有利于环保[1]。目前,国内对汽车结构件的设计与研究已经从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段,但是尚未像汽车整车和主要零部件的参数确定那样广泛应用优化设计方法。所以汽车结构参数优化设计仍是近些年的重要研究领域。汽车车架是汽车结构件中结构和载荷都很复杂的重要部件[2],也是人们首先开展结构分析和结构优化设计的研究对象。

本文采用有限元法对某型号半挂汽车车架结构的应力分布进行了分析,形成了车架的初始设计方

案,进而从有限元分析的结果出发形成优化设计即轻量化设计所需要的数学模型。并在对有限元模型进行试验验证的基础上,提出了该车架结构的轻量化设计方案并进行了有限元强度分析,确定了较合理的设计方案。

1　车架结构轻量化设计模型

111　结构分析模型

该型号半挂汽车车架是以型钢作为骨架再覆以钢板而成的板架组合结构,承受垂直于车架平面的均布压力。根据计算模型的准确性原则,建模时略去

了车架上的附属结构(图1)。由于该车是多轴车,为静不定结构,为了得到车架结构的真实应力分布,必须考虑悬挂系统的变形情况。因此,整个车架有限元模型由车架有限元模型和悬挂系统等效有限元模型组成。根据车架的结构形式和受力特点,梁架为薄壁结构,选取弹性壳单元(四节点四边形等参元,代号

收稿日期:20031110

赵　韩　合肥工业大学机械与汽车工程学院　教授　博士生导师,230009　合肥市钱德猛　合肥工业大学机械与汽车工程学院　博士生

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　第6期赵韩等:基于ANSYS的汽车结构轻量化设计13

为SHELL63的单元)[3],每个节点具有6个自由度,即沿X、Y、Z坐标轴的3个位移自由度和绕X、Y、Z坐标轴的3个转动自由度,悬挂划分为梁单元。将各部分以刚性单元定义焊接点和铆接点,计算单元网格的划分应用ANSYS自带的MeshTool工具,选用面的边长为80mm,得到图2车架结构有限元模型,整个模型划分为10518个单元、11518个节点。

抗拉强度[Ρb]=375～460MPa。经计算得:

情况一:最大应力位于牵引销附近,最大应力值Ρmax=2001988MPa<[Ρs];最大位移位于车架中部靠近两侧的边梁上,最大位移∆max=71223mm。

情况二:节点等效应力云图和位移云图见图3和图4,最大应力位于牵引销附近,最大应力值Ρmax=1691286MPa<[Ρs];最大位移位于车架中部靠近两侧的边梁上,最大位移∆max=51001mm。

两种情况下车架的最大变形均在中部,可见,车架中部是相对薄弱的环节。

图1　车架结构的几何模型

Fig.1　Geometrymodeloftheframestructure

图3　带花纹板车架的节点等效应力云图

Fig.3　Nodeequivalentstressplotoftheframewithflat

图2　车架结构的有限元模型

Fig.2　FEMoftheframestructure

针对水平路面的情况,该模型采用下列约束条件:①在后悬架的中点处约束与测试平台接触点的全部自由度,在中吊耳和前吊耳中点处施加竖直方向的位移约束(即Y方向的位移为零)。②在车架前部牵引销板处施加竖直方向的位移约束(即Y方向的位移为零)。

同时,按照下列情况考虑计算载荷与工况:①情况一:满载时,588kN重量按均布载荷作用在未覆盖花纹板的车架上,模拟装载集装箱货物的工况。②情况二:满载时,588kN重量按均布载荷作用在覆盖了花纹板的车架上,模拟装载散装货物的工况。

车架材料为Q235碳素钢,弹性模量E=211×105MPa,泊松比Λ=013,屈服应力[Ρs]=235MPa,

图4　带花纹板车架的节点位移云图

Fig.4　Nodedisplacementplotoftheframewithflat

在车架分析应力较大的部位粘贴应变花[4],取10个测点,覆盖了花纹板的车架的电测试验值和计算值对比如表1所示。

由表1可以看出,除个别测点位置应力的相对误差稍大外,其余计算结果均与有限元理论分析结果基本一致,这证明了有限元模型、边界条件和载荷处理基本是正确的。车架上节点的模拟应力分布与该点的实测值不完全吻合的原因如下:①没有获得加载位置附近载荷的真实分布情况。②结构存在应力集中,应力变化梯度比较大。③有限元理论分析模

表1　计算结果和试验结果对比分析

.1　ComparativeanalysisofcalculationresultandexperiTabmentalresult

1118151321111148

21251411811-5182

3851389165104

442163919-6134

53919471819180

626122516-2129

7311733165199

82513281813183

962155718-7152

10104159713-6189

测点号

试验值󰃗MPa计算值󰃗MPa相对误差󰃗%

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14农　业　机　械　学　报

表2　优化前后各变量值对比

2005年　

型的简化。112　优化设计模型

.2　ContrastofthevaluesofthevariablesTab

beforeandafteroptimization

　　变量名称结构总体积V󰃗mm3结构总质量M󰃗t最大位移∆mmmax󰃗最大应力Ρmax󰃗MPa内、边横梁壁厚t1󰃗mm穿横梁壁厚t2󰃗mm边梁壁厚t3󰃗mm内外支撑梁壁厚t4󰃗mm加强杆壁厚t5󰃗mm支撑梁壁厚t6󰃗mm牵引销板厚度t7󰃗mm

优化前数值

0178327×109

611254116251311085515955510570702604824504164

结合ANSYS所提供的优化方法及APDL语

言所具有的较强的参数化分析功能,在强度分析的基础上可实现车架结构参数的优化设计。该型号半挂车车架的主要设计参数有:型钢的剖面尺寸、局部的布置参数。模型采用SHELL63单元,节点数11518,单元数为10518,采用满载时均布载荷作用在覆盖了花纹板的车架上的计算工况。11211　目标函数

优化后数值

0163874×109

4199551176717019441449131097251041821516481488421525351041613509381389111108200300398153518228131433

通过优化结构的体积来达到优化结构质量的目的,以质量最轻为目标函数,描述为

minF(x)=W1(x)+W2(x)+W3(x)+

W4(x)+W5(x)+W6(x)

(1)

U型梁壁厚t8󰃗mm

式中　W1(x)——车架上横梁的质量,包括车架内

外横梁、边横梁、穿横梁、端横梁

W2(x)——车架上纵梁的质量

W3(x)——车架边梁的质量W4(x)——车架上U型梁的质量

支撑梁截面宽度t9󰃗mm

U型梁󰂬截面宽度t10󰃗mmU型梁󰂫截面高度t11󰃗mmU型梁󰂭截面高度t12󰃗mmU型梁󰂬截面高度t13󰃗mm

花纹板厚度t14󰃗mm纵梁翼板厚度t15󰃗mm横梁数量t16󰃗个

外支撑梁的质量W5(x)——车架上内、

W

6

(x)——车架其余部件的质量总和,包括

花纹板、牵引销板、加强杆、支撑梁等

11212　设计变量

(1)强度状态变量及约束函数:限制车架结构的

最大应力。先对原始设计进行有限元分析,然后提取最大应力Ρmax,车架用Q235钢制造,限制其最大应力不超过235MPa,从而构成完整的强度约束。即

(3)C1=Ρmax-[Ρs]≤0式中　[Ρs]——最大应力限值

(2)静刚度状态变量及约束函数:限制车架结构的最大变形。先对原始设计进行有限元分析,然后提取最大位移∆max。即

C2=∆max-[∆s]≤0

根据设计要求,选择各构件的截面尺寸和局部的布置尺寸作为设计的对象。车架由于组成构件较多而尺寸变量较多,太多的设计变量增大了收敛到局部最小而非全局最小的概率,必须尽量减少设计变量。采用变量关联的方法,将车架结构上互相有联系的非独立尺寸按照比例关系确定。通过处理,设计

变量共16个(见表2),分别归纳为梁的厚度尺寸、截面宽度尺寸、截面高度尺寸和布置尺寸。即

x={t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,t10,

t11,t12,t13,t14,t15,t16}

(4)

式中　[∆s]——最大位移限值

(2)

按照上述抽象模型的形式,构造车架优化模型

minF(x)=W1(x)+W2(x)+W3(x)+　　　　　W4(x)+W5(x)+W6(x)

x={t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,t10,

各物理量所代表的具体含义见表2。

除了利用变量关联的方法以外,在优化过程中,因为涉及的参数比较多,难于进行整体优化,本文采用了“分步优化”的思想达到优化多个参数的目的。11213　状态变量及约束函数

　　t11,t12,t13,t14,t15,t16}s.t.

(5)

　　C1=Ρmax-[Ρs]≤0　　C2=∆max-[∆s]≤0

根据设计要求,约束函数可以是结构的应力或位移,也可以是整个结构的固有频率。为了得到尽可能符合实际需要的设计,必须选择足够多的状态变量。但是为了加快优化进程,必须消除不必要或冗余的状态变量。同样也必须确定合理的状态变量上下限。

2　轻量化设计及结果分析

将设计参数分为4类:梁的厚度、梁的截面宽度、梁的截面高度和布置尺寸。采用“一阶方法”进行轻量化设计,一阶方法基于目标函数对设计变量的

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敏感程度,因此更加适合于精确的优化分析。通过对目标函数逼近加罚函数的方法将问题转换为无约束的问题,在每次迭代中,计算梯度(用最大斜度法或共轭方向法)确定搜索方向,从而求解最小值[5,6]。表2是经过“分步优化”得到的结果,首先取内横梁及边横梁壁厚、穿横梁壁厚、边梁壁厚、内外支撑梁壁厚、加强杆壁厚和支撑梁壁厚作为优化设计变量,优化结束后保持其不变。再取牵引销板厚度、U型梁壁厚、支撑梁截面宽度、U型梁󰂬截面宽度和U型梁󰂫截面高度作为优化设计变量,优化结束后再保持其不变。接着取U型梁󰂭截面高度、U型梁󰂬截面高度、花纹板厚度、纵梁翼板厚度和横梁数量作为优化设计变量,从而得到最终的优化结果。

分别以宽度尺寸变量、厚度尺寸变量、高度尺寸变量和混合尺寸变量作为设计变量,分4组进行优化设计,得到优化设计前、后车架的总质量及其变化率如表3所示。

表3　优化前后车架的总质量及其变化率

.3　TotalmassoftheframeanddeclineratioTab

priorandafteroptimization

设计变量宽度尺寸厚度尺寸高度尺寸混合尺寸

优化前车架总质量󰃗t

61125611256112561125

度尺寸的优化结果降幅最大,但并不是较为理想的

设计方案。相比之下,混合变量的降幅虽然较小(1814%),但是车架质量达到41995t时,车架的节点等效应力和总体变形分别为166154MPa和41195mm,应力远小于[Ρs]=235MPa(见图5和图6)。所以,比较而言混合尺寸变量的优化是一个合理而又经济的设计方案。

图5　带花纹板车架的节点等效应力云图

Fig.5　Nodeequivalentstressplotoftheframewithflat

优化后车架总质量󰃗t

51745415636101741995

变化率󰃗%

61225151181814

　　由表3可以看出,梁的厚度尺寸的优化结果使

得车架质量由61125t降低为41563t,降幅较其余3种情况都要大得多,达2515%。而高度尺寸的优化结果对车架质量的影响最小,降幅仅118%。

从优化结果的进一步分析可以发现,当车架的质量降到41563t时,车架的最大节点等效应力和总体变形分别高达224154MPa和111188mm([Ρs]=235MPa),材料已经接近屈服极限。所以,虽然厚　　

参

考

图6　带花纹板车架的节点位移云图

Fig.6　Nodedisplacementplotoftheframewithflat

3　结束语

该型半挂车车架用有限元法模拟分析后找到了结构设计的薄弱环节,基于此,用上述优化方法进行了轻量化设计,得到了较好的优化设计方案。车架轻量化设计可为企业的生产起到一定的指导作用。

文

献

1　桂良进,周长路,范子杰等.某型载货车车架结构轻量化设计.汽车工程,2003,25(4):403～4062　冯国胜.汽车车架结构参数的优化设计.汽车技术,1994,11(2):218～2213　龚培康编著.汽车拖拉机有限元法基础.北京:机械工业出版社,1994.4　吴宗岱,袁礼平.应变电测原理及技术.北京:国防工业出版社,1982.5　刘夏石编著.工程结构优化设计原理、方法和应用.北京:科学出版社,1984.6　刘惟信编著.机械最优化设计.北京:清华大学出版社,1994.

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