基于ANSYS的汽车结构轻量化设计

2005年6月农业机械学报第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A N SYS 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:U 463.32文献标识码:AResearch on Lightweight Design of Automobile Structure Based on ANSYSZhao Han Qian Demeng (H ef ei Univer sity o f Technology )AbstractThe kind of finite element model o f the frame o f a semi-trailer w as established based on ANSYS and stress calculation and ex periment validation simulating the actual wo rking conditions w er e perform ed .Then the math mo del of optim al design was form ed fro m the analysis result of finite element m ethod .In the end the relativ e r easonable pr oject of lightw eight desig n w as put fo rw ard thro ug h calculation.The result prov ided certain g uidance function not o nly for the technicians of the facto ries but also fo r the users of the ANSYS.Key words Fram e ,Finite element method ,Optimal design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 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1.1　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AN SYS 自带的M eshT ool 工具,选用面的边长为80m m ,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。

图1　车架结构的几何模型Fig .1　Geo metr y mo del of t he fr ame str uctur e图2　车架结构的有限元模型F ig .2　FEM o f the fram e st ructure针对水平路面的情况,该模型采用下列约束条件: 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)。

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: 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。

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Q 235碳素钢,弹性模量E =2.1×105M Pa ,泊松比 =0.3,屈服应力[ s ]=235M Pa , 抗拉强度[ b ]=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 max =200.988MPa<[ s ];最大位移位于车架中部靠近两侧的边梁上,最大位移 max =7.223mm 。

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 max =169.286MPa <[ s ];最大位移位于车架中部靠近两侧的边梁上,最大位移 max =5.001mm 。

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3　带花纹板车架的节点等效应力云图Fig .3　N ode equiv alent st ress plot o f the fr ame w ith fla t图4　带花纹板车架的节点位移云图Fig.4　N ode displacement plot o f the fr ame with fla t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: 没有获得加载位置附近载荷的真实分布情况。

结构存在应力集中,应力变化梯度比较大。

有限元理论分析模表1　计算结果和试验结果对比分析Tab .1　C omparative analysis of calculation result and experimental result测点号12345678910试验值/M Pa 118.5125.485.342.639.926.231.725.362.5104.5计算值/M Pa 132.1118.189.639.947.825.633.628.857.897.313　第6期赵韩等:基于A N SYS 的汽车结构轻量化设计型的简化。

1.2　优化设计模型结合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SH ELL63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。

1.2.1　目标函数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min F(x)=W1(x)+W2(x)+W3(x)+W4(x)+W5(x)+W6(x)(1)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W5(x)——车架上内、外支撑梁的质量W6(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1.2.2　设计变量根据设计要求,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}(2)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。

1.2.3　状态变量及约束函数根据设计要求,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。

表2　优化前后各变量值对比Tab.2　Contrast of the values of the variablesbefore and af ter optimization 变量名称优化前数值优化后数值结构总体积V/m m30.78327×1090.63874×109结构总质量M/t 6.125 4.995最大位移 max/mm 4.1625 5.1767最大应力 max/M Pa131.08170.94内、边横梁壁厚t1/mm5 4.4491穿横梁壁厚t2/m m 5.5 3.0972边梁壁厚t3/m m9 5.0418内外支撑梁壁厚t4/mm5 2.5164加强杆壁厚t5/m m58.4884支撑梁壁厚t6/m m5 2.5253牵引销板厚度t7/mm10 5.041U型梁壁厚t8/mm5 6.3509支撑梁截面宽度t9/mm7038.389U型梁Ⅲ截面宽度t10/mm70111.08U型梁Ⅱ截面高度t11/mm260200U型梁Ⅳ截面高度t12/mm482300U型梁Ⅲ截面高度t13/mm450398.53花纹板厚度t14/mm4 5.8228纵梁翼板厚度t15/mm1613.43横梁数量t16/个43(1)强度状态变量及约束函数:限制车架结构的最大应力。