优化设计方法在汽车车架方面的应用

优化设计方法在汽车车架方面的应用优化设计方法在汽车车架方面的应用摘要:有限元分析已经成为汽车结构设计中的一项重要技术,现利用有限元的方法对边梁式客车的车架进行结构优化分析,用有限元法进行静态分析的同时,进行模态分析。考虑汽车运行的主要工况所受到的不同冲击载荷。通过综合各种车况的优化数据最后进行优化分析。确定最终的优化方案。关键词:有限元分析;优化;车架前言优化设计作为一门新兴技术在现代汽车设计中得到了广泛的应用。最优化是现代工程产品设计的目标。根据性能需要合理的选择方案,以获得最佳效果。通常情况下汽车设计时为了保证汽车的安全性,车架的设计刚度强度都远远大于安全规定。虽然保证了安全性,却带来了油耗增加,噪音变大,厂家耗材多等一系列问题。本文主要介绍客车车架的优化设计。运用有限元的相关理论和笔者在本文中所提出的优化方法,采用有限元分析软件ANSYS进行优化分析,目的是在保证汽车安全性能的同时进一步减轻车架质重。1客车车架有限元模型的建立根据纵梁的结构特点,车架可以分为周边式、X型式、梯形、脊梁式和综合式几种。其中梯型车架又称为边梁式车架,是比较常用的一种车架。本文介绍的客车模型就是边梁式车架。1.1车架的组成及特点1.1.1车架纵梁形式的确定车架的纵梁结构一方面要保证车架的功能,另一方面还要满足整车总体布局的要求,同时要求形状简单。纵梁的形状有上翼面是平直的和弯曲的两种:上翼面平直式的车厢地板平整纵梁制造方便;翼面弯曲式纵梁部分区段降低,地板相应高度降低,车辆的稳定性增强。纵梁的横截面形状有槽型、工字型、箱型、管型和Z型,要求能使纵梁的各断面的应力接近。可以改变梁的高度,使中部断面高,两端断面低。槽型断面的纵梁有较好的抗弯强度,又便于安装各种汽车部件,因此得到了广泛应用,但是此种断面的抗扭性较差。从降低车架纵梁的抗弯应力方面考虑,增大槽型断面高度最有利,但是汽车的质心高度增加。增加上下翼面的宽度,也可以提高纵梁的抗弯强度。综合考虑上述因素的影响,通常高和宽的比值为218~3.5。1.1.2车架横梁形式的确定车架横梁将左右纵梁连接到一起,形成一个框架,使车架有足够的抗扭刚度。汽车的主要总成通过横梁来支撑。重型汽车的横梁一般有4~6根,结构和用途不一样,前横梁用来支撑水箱,中横梁用来作传动轴的中间支撑。为了保证传动轴有足够的跳动空间,常将横梁做成拱形。1.1.3纵横梁连接方式及特点横梁和纵梁的固定方法可分为铆接、焊接和螺栓连接等方式。铆接的成本低,焊接可保证大的刚度,但是有较大的内应力,螺栓连接通常在各种特殊条件下使用的汽车上采用。车架的宽度是左右纵梁腹板外侧面之间的宽度,车架前部宽度的最小值取决于发动机的外廓宽度。最大值受到前轮转角的限制。车架后部主要根据车轮外侧的轮胎和钢板弹簧片宽等尺寸来确定,为了提高汽车的横向稳定性,最好是车架前后等宽。1.1.4DD6900H2的简化有限元模型图1车架简支梁简化计算模型图1为DD6900H2型大客车的车架按简支梁划分的简化计算模型。由于车架一般多由薄壁梁组成,可简化为若干个梁单元以刚性相连接而成,简化时可将集中力处设为节点。在简化过程中忽略行李箱的影响,但是施加载荷时把行李箱的载质量330kg考虑在内。遇到变截梁面。可简化为由若干个不同梁单元连成。由于要考虑轮胎和底架板簧等的影响,把轮胎和板簧简化成一个有限元中的弹簧结构。新结构中弹簧的刚度分别是bc/(a+b和ac/(a+b,如图2所示。其中a、b分别为板簧的两端作用点到中点的距离,c是原来弹簧和轮胎的实际刚度。图2弹簧刚度简化模型2车架的受载分析2.1汽车的使用条件复杂,受力情况也很复杂,典型的工况有四大类,分别是:a匀速直线行驶:客车在满载的状态下,主要计算四轮着地时的结构强度和刚度;b紧急制动:主要考虑汽车以最大制动力017g制动时,地面制动力对汽车的影响;c急转弯工况:考虑客车以最大转向加速度014g转弯时,惯性力对汽车的影响;d崎岖不平路面行驶:考虑汽车一个车轮悬空而另一车轮抬高时施加在车桥上的扭矩作用。上述4种工况均需要考虑汽车是在满载的状态下以全真模拟汽车的受载情况。对于DD6900H2型大客车,载客数为33+1。乘客的平均体重按照65kg来计算。汽车的安全性能必须在保证上述4种典型工况下进行校核。2.2车架弯曲强度计算时的基本假设a汽车的有效载荷均匀分布在左右纵梁的全长上;b左右作用力均通过弯曲中心。2.3纵梁的弯矩计算驾驶室区段的纵梁弯矩计算:M=F1x-Gsg4L(a+x2式中:F1———前轮中心支座对纵梁得反作用力;Gs———空车的簧载质量;g———自由落本加速度,9.8m/s2;L———纵梁得总长,mm;a———车架纵梁前端到前轴的距离,mm;x———截面到前轴的距离,mm。车厢前端到后轴区段纵梁的弯矩计算:Mx=F1x-Gsg/4L(a+x2-Geg/4c(C1-(l-x2式中:Ge———汽车的装载质量,kg;C1———车厢前端到后轴之间的距离,mm。由上可知,纵梁的最大弯矩在该区断内,由dMx/dx=0可求x=[2CLF1-aCGsg-L(l-C1Geg]/c(Gsg-LGeg将最大弯矩位置的数值,代入上式可得最大弯矩Mmax。最大剪应力在汽车后轴附近,当x=L时,最大剪应力Qmax=F1-Gsg/2L(a+l-Gsg/2cC1。纵梁实际最大弯矩和剪力约为静载荷下的3~4.5倍。车架纵梁抗弯刚度校核:对于简支梁,其跨距中点受集中载荷F作用时,梁的挠度最大。Ymax=Fl3/48EJx式中:Ymax———梁的挠度,cm;F———纵梁中点受的集中载荷,N;L———汽车轴距,m;E———弹性模量,21N/cm2;Jx———梁的抗弯刚度系数,cm4。3模态分析在现代汽车设计中乘坐舒适性是衡量大客车性能的一个重要指标,汽车作为运动机械,绝大多零件都是在承受动载荷。车架动态分析的基本思路是根据路面激励对车架的传递函数,计算车架各节点动应力响应的均方根值。在模态分析当中,模型的建立及边界约束条件的模拟与实际结构的相符合程度是分析的关键。车架动力分析模型采用空间梁单元来模拟车架的主梁。在进行车架自振特性分析时车架结构的无阻尼振动方程为:[M]{¨Z}+[K]{Z}={0},其中[M]、[K]分别为结构的总体质量矩阵和刚度矩阵。在进行模态分析时一般得到前十阶固有频率的振型即可。4优化及结果分析设计变量的确定:由于车架一般是槽型的,矩形的或者工字形的,优化目的是要减轻车架的质量,所以选择钢的截面形状参数(截面长度、宽度和钢的厚度来作为设计变量。从汽车的制造和工艺出发,设计变量有一定的规范条件,通常情况下对于纵梁槽钢H∈(12cm,25cm,B∈(415cm,8cm。H为钢截面的长度,B为钢截面的宽度。目标函数的确定:优化的目的是尽量减少客车底架的质量,所以对于槽型钢目标函数F=LρT(H+2B,对于矩形钢F=LρT(2H+2B。状态变量的确定:优化过程中的车架结构响应,如应力、变形和车架的最大应力要小于许用应力。411纵梁的状态变量aσimax≤[σ-1](i=1,2,3,其中i=1为纯弯工况;i=2为纯扭工况;i=3为弯,弯扭联合工况。σ=6Mdmax/(H+6BTh=6×6158×10×Mmax/(H+6BHT≤[σ-1]式中:Mmax———车架纵梁的最大弯矩;T———梁的厚度;[σ-1]———疲劳极限应力。b刚度条件:车架纵梁中点受力为1kN,集中载荷变形量不能超过0.085cm。由材料力学关于简支梁的挠度公式可得关系式Jx/ρ3>12。计算后整理的结果为0.002H2(H+6H-12>0。4横梁的状态变量由于在受载假设中,所有的载荷全部均匀施加在纵梁上,所以对横梁而言,要求H∈(2cm,12cm,B∈(2cm,8cm。优化的最终结果:优化前纵梁质量为2411775kg;优化后纵梁质量为230184kg;优化前横梁质量为3001295kg;优化后衡量质量为2401236kg。从优化结果来看,由于纵梁是主要承力部位,所以优化的纵梁质量较少,而横梁质量得到了较大的优化。5结论运用有限元的理论给出了以降低汽车耗材为目标对汽车车架进行优化设计的方法,并且考虑了几