基于相对灵敏度的轻卡车架轻量化研究作者：张翼张代胜刘春蕾丁芳来源：《汽车科技》2012年第01期摘要：运用hypermesh软件建立某型轻卡车架有限元模型，利用模态试验验证了有限元模型的准确性。
分析了车架在弯曲和扭转工况下的等效应力、变形及模态频率，计算了该模型的车架质量和扭转工况下最大应力灵敏度，并提出相对灵敏度绝对值较大的组件的厚度作为轻量化设计变量，在保证一定的强度、刚度条件下，按照高刚度、轻质量的要求对车架组件进行厚度修改，实现车架轻量化。
关键词：轻卡车架；刚度；灵敏度；轻量化；有限元中图分类号：U462.2 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）01-0020-03Research on the Light Weighting of Truck Frame Based on Relative SensitivityZHANG Yi，ZHANG Dai-sheng，LIU Chun-lei，DING Fang(HeFei University of Technology，School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei 230009，China)Abstract：Establish finite element model of a certain type of light truck frame in Hypermesh，use model testing to checking the accuracy of FEM.Analyze Von Mises stress and displacement of the frame in bending and torsion conditions. Calculate sensitivity of mass and the max Von Mises stress and put forward the method of light weighting，which is refer the components thickness with the large relative sensitivity as design variables.Based on appropriate rigidity and strength, according to the demand of high stiffness，small mass，thus attain the purpose of light weighting of truck frame.Key words:light trucks frame；rigidity；sensitivity；light weighting；finite element mode随着汽车工业的飞速发展，汽车厂家的竞争日益激烈。
利用相对较少的成本产生较大的收益逐渐成为汽车生产厂家追求的目标。
此外，由于能源和环境问题的日益凸显，节能减排成为我国“十二五”期间十五项重要工作之一。
相关资料表明：汽车自重减少10%，燃油经济性提高7%左右，排放降低5%。
因此对汽车进行轻量化研究很有必要。
车架是汽车的装配基体，汽车上绝大多数的零部件、总成都安装在车架上。
它不仅承受零部件、总成的载荷，还要承受汽车行驶时来自路面的各种复杂载荷，所以其必须有足够的刚度。
通过加厚车架板件能够很好地提高其刚度，但是这会增加车架质量，降低汽车燃油经济性。
为了保证汽车具有足够的刚度和燃油经济性，车架轻量化成为载货汽车的发展趋势。
本文建立了某国产轻卡车架的有限元模型，通过模态试验验证模型的准确性。
利用有限元法计算该模型的质量灵敏度和弯曲工况下等效应力灵敏度，根据相对灵敏度，以车架板件厚度为设计变量，选取相对灵敏度绝对值较大板件，对该型车架进行轻量化研究。
1 有限元模型的建立及实验验证1.1 车架有限元模型的建立该型轻卡汽车车架采用边梁式结构，有2根纵梁、7根横梁、若干加强板和零部件组成，均为薄板结构，承受驾驶室、动力总成、传动轴、油箱、蓄电池、备胎等载荷以及车厢货物载荷。
建模过程参考该车架UG三维图，在Hypermesh中取中面并采用单元大小为10 mm的四边形和三角形单元划分网格（三角形单元不超过10%）。
各梁、加强版和零部件有铆钉和焊点连接；悬架采用弹簧单元CELAS1和刚性梁单元CBEAM模拟。
为了保证计算精度和效率，忽略结构上尺寸较小的倒角和加强筋板结构。
建立的有限元模型如图1所示。
模型中节点数及单元数分别为91 045、87 398。
1.2 车架有限元模型的验证模态是振动系统特性的一种表征，通过模态试验除了得到系统的模态参数外，它也为系统动态设计、验证有限元计算结果等提供依据。
通过模态实验分析与有限元分析结果对比，可以判断有限元模型是否准确。
如果实验分析和有限元分析结果吻合，那么所建立的有限元模型比较准确，能够正确反映车架的动态特性，也保证了后续分析的可靠程度；如果两者计算结果相差较大，可以根据模态试验结果对有限元模型做出相应修正。
本文采用Hypermesh软件对该轻卡车架进行自由模态分析，经过适当修正，其一阶扭转模态频率为6.06 Hz。
实验的一阶扭转模态频率为5.92 Hz。
振型见图2。
（a）有限元分析结果(b）实验结果图2 一阶扭转振型前四阶模态频率结果见表1。
由表1可看出，各阶模态频率误差较小，因此，所建立的车架有限元模型比较准确。
1.3 弯曲、扭转工况应力计算（1）弯曲工况弯曲工况模拟平坦路面，边界条件是约束车架前后悬架轮胎安装点的X、Y、Z方向的平动自由度和旋转自由度；载荷条件是在车架各相关位置施加动力总成、驾驶室总成、蓄电池、油箱和车厢（包括货物）等载荷，其中车厢载荷用均布载荷施加，其他载荷用集中载荷施加。
通过计算得到车架最大等效应力为130 MPa，出现在前悬架悬置点附近；最大位移为50.86 mm，其中悬架位移43.57 mm，即车架最大位移为7.27 mm，小于车架最大弯曲挠度10 mm，说明该车架具有较好的抗变形能力。
应力云图如图3所示。
（2）扭转工况扭转工况模拟过沟工况，边界条件是放开车架左前悬架所有自由度，右前悬架约束所有自由度，后悬架约束Z方向自由度；载荷条件和弯曲工况一样。
分析结果表明，在扭转工况下，车架等效最大应力为150 MPa，出现在第三横梁处；最大位移为66.82 mm，其中悬架位移为62.54 mm，即车架最大位移为4.28 mm，可保证车架在不平路面正常行驶。
扭转应力最大处如图4所示。
2 灵敏度分析及轻量化2.1 灵敏度分析灵敏度分析在结构的设计以及分析中起着重要的作用，特别是结构的优化设计和结构修改中。
汽车作为一种大型复杂结构系统，设计变量多，在结构设计和优化中，常常有许多设计参数可供调整，为了确定设计和优化方案，分析各个设计参数对结构特性变化的灵敏度是十分必要。
它可以避免结构修改中的盲目性，提高设计效率和减少设计成本，同时也是结构优化设计的基础。
其数学模型可以表述为：最小化：f（X）=f（x1，x2，…xn）（1）约束条件：hj（X）≤0（2）xLi≤xi≤xUi（3）式中：X为设计变量；f（X）是目标函数；hj（X）约束函数；上角标L为约束函数上限；下角标为约束函数下限。
传统灵敏度对于车架的轻量化设计，一般是通过改变车架板件的厚度来减小质量，但是同时造成车架刚度降低，部分位置应力过大。
相对灵敏度分析把反映车架等效应力作为状态变量，以车架总质量为目标函数，为了更加全面地反映修改车架板件厚度对车架质量和刚度的影响。
Sm表示质量对于板件灵敏度，S?滓表示等效弯曲应力对板件灵敏度，用相对灵敏度Sm /S?滓。
当上述比值大于零时说明随着车架板件厚度的增加，质量和刚度随之增加；小于零时，随着板件厚度增加，质量增加而刚度减小。
当Sm /S?滓的绝对值大于1时，表示随着车身板件厚度的变化，质量的变化量大于刚度变化量，绝对值越大，改变板件的厚度对质量的影响越大，对刚度的影响越小，越有利于轻量化。
现部分板件灵敏度计算如表2所示。
2.2 轻量化设计车架轻量化设计采用优化设计的方法，在保证车架的刚度、模态等性能的前提下，通过对车架板件厚的改变，达到轻量化的目的。
具体方法如下：（1）设计变量：参照表2的灵敏度分析结果，选取15个相对灵敏度较大的部件作为设计变量，设置其变化范围为10%以内。
（2）状态变量：为在轻量化过程中保证满足弯曲工况刚度条件，选取弯曲工况下的最大应力为状态变量变量，限制其最大应力不超过150 MPa。
（3）目标函数：以车架质量为目标函数，本文在Hypermesh中选用局部逼近法进行迭代。
迭代结果如表3所示。
考虑到实际制造工艺情况，对优化结果取两位有效数字。
2.3 优化结果分析对优化之后的模型进行模态和应力分析，其结果如表4所示。
由表4可知，优化后的弯曲等效最大应力增加8.1 MPa，扭转等效最大应力增加14.7 MPa，一阶模态频率降低0.25 Hz，质量减少了13.5 kg，约减少4.7%。
由于该车架材料为Q345，其弯曲扭转工况下皆满足结构强度要求。
在保证车架静动态特性的前提下，使车架的质量降低了13.5 kg，取得了明显效果，达到轻量化目的。
3 结语通过采用现代设计方法，分析车架结构静动态特性，在保证车架强度刚度条件下，取得了合理的轻量化方案和结果，使该车架减轻了13.5 kg，达到轻量化的目的。
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