汽车车架的结构优化设计
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【 摘要】 这里以有限元结构分析和优化算法相结合为手段， 以某型载货车车架为例， 先对车架进行 拓扑优化获得车架最优拓扑形式， 根据车架最优拓扑形式确定横梁的数量及分布位置和纵梁的加强方 式， 得到车架的概念化设计。然后对横梁和纵梁的截面尺寸进行优化， 建立了车架的力学模型， 优化参 数模型， 优化数学模型， 有限元模型， 采用 ,-./. 参数化设计语言编制了优化设计程序， 用 ,-./. 软 件中的零阶优化方法获得最优设计，计算结果表明该优化设计方法的有效和高效，给出了汽车车架的 计算机辅助优化设计的有效方法， 该方法可广泛应用于车架的优化设计工程。 关键词：车架；拓扑优化；结构优化；有限元 【 !"#$%&’$】 !"#$%&’( 012 ()*+,)+*’ -&-./(%( 0%)1 "2)%#%3-)%"& -.4"*%)1# -&5 )-6’( - 1’-7/ 8 5+)/ )*+,6 9*-#’ -( -& ’:-#2.’; )1’ -+)1"* 5"’( )"2"."4%,-. "2)%#%3-)%"& 9"* )1’ )*+,6 9*-#’ -&5 -,1%’7’( )1’ $’() )"2"."4/ "9 )1’ 9*-#’< =1’ $’() )"2"."4/ "9 )1’ 9*-#’ 2*"7%5’( 01’*’ )1’ ."&4%)+5%&-. $’-#( (1"+.5 $’ ()*’&4)1’&’5 -&5 01’*’ )1’ )*-7’*(’ $’-#( (1"+.5 $’ 2.-,’5 -&5 1"0 #-&/ )1’ )*-7’*(’ $’-#( (1"+.5 $’ -5"2)’5< =1’ ,"&,’2) 5’(%4& "9 )1’ 9*-#’ %( "$)-%&’5< =1’& )1’ (’,)%"& (%3’ "9 )1’ ."&4%)+5%&-. $’-#( -&5 )1’ )*-7’*(’ $’-#( %( "2> )%#%3’5 -&5 )1’ #’,1-&%,( #"5’. "9 )1’ 9*-#’; "2)%#%3-)%"& 2-*-#’)’* #"5’.; "2)%#%3-)%"& #-)1’#-)%,( #"5’.; 9%&%)’ ’.’#’&) #"5’. -*’ ’()-$.%(1’5< =1’ "2)%#%3-)%"& 5’(%4& 2*"4*-# %( 0*%))’& $/ +(%&4 )1’ ,-./. 2-*-#’)’* 5’(%4& .-&4+-4’< =1’ "2)%#+# %( "$)-%&’5 0%)1 )1’ 3’*" 8 "*5’* #’)1"5< =1’ *’(+.) %&5%,-)’( )1-) )1’ "2)%#-. 5’(%4& #’)1"5 %( ’99%,%’&)< ?) %( )1’ ’99%,%’&) ,"#2+)’* -%5’5 5’(%4& #’)1"5 )" "2)%#%:’ )1’ ()*+,)+*’ "9 )1’ -+)"#")%7’ 9*-#’< @" %) ,"+.5 $’ -22.%’5 ’:)’&(%7’./ %& )1’ ’&4%&’’*%&4 "9 )1’ 9*-#’ "2)%#%3-)%"& 5’(%4&< ()* +,%-#. /%&0)；1,2,3,4* ,2$5056&$5,7；8$%9’$9%) ,2$5056&$5,7；/575$) )3)0)7$ 文献标识码：,
位置分别为 )+$HH、 ("")HH、 C%+(HH、 R)"&HH， A U !P "$V= W HH 为货箱及货物产生的分布荷载，BC! U (!+P RV=、BC( U (!CP (V= 为 驾驶室产生的集中荷载，B’! U !R&P )V=、B’( U !R&P )V= 为发动机
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机械设计与制造 ;8<6=7 > 237?@34A?98
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设 计 与 计 算
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汽车车架的结构优化设计
刘齐茂 （ 广西工学院B 柳州 )+)""C）
图 ? 纵横梁连接方式 $%&’ ? (1<F01=0 +).&%2-/%.<+ 40<9= 5%.G ! -*
图 6 有限元模型 D 部分 E $%&’ 6 $%.%20 0+090.2 9)/0+
弯曲工况下， 对车架强度约束采用弯曲正应力约束， 即
01 ( , 234 ( +&&)
!" #67 " ! $ ’ 8 ! 9 为许可应力。
"’ " 弯扭联合工况
弯扭联合工况模拟汽车满载在不平坦路面上行使的情况， 此时将车架某一前轮悬空来模拟，获得右前轮悬空情况下的拓 扑形式和左前轮悬空情况下的拓扑形式，将两种拓扑形式重叠 在一起获得弯扭联合工况下的拓扑形式， 如图 7 所示。
?’ " 目标函数
对车架优化的目的是在满足强度和刚度的条件下寻求质 量最小的车架形式，故选取车架的质量作为评价车架好坏的标 准， 即车架的质量为目标函数。 #D "E H $D "E・ % 其中 $ D " E 为车架的体积 （ 含铆钉 ） ， % 为钢材的密度。
?’ 7’ : 弯扭联合工况
弯扭联合工况模拟汽车满载在不平坦路面上行使的情况， 此时将车架右前轮悬空来模拟， 对于载货车动荷系数取为 :’ ?。 通过对车架的最大竖向位移约束来约束车架的变形， 即 &’9<N D " E ’ I &’ J D#E 其中， &’9<N D " E 为弯扭联合工况下车架产生的最大竖向位 I &’ J 为弯扭联合工况下车架最大竖向位移的许可值， 根据车 移， 架不同形式可取不同值， 在本例车架优化中 I &’ J 取值为 7899。 在弯扭联合工况下，由于车架处在一种复杂的应力状态 下， 采用第四强度理论约束车架的应力， 即 !"(# D " E ’ I ! J 取值为 "78PQ<。 可应力， 钢材为 :6P.， 为保证铆钉连接的可靠，铆钉所受剪应力应小于许可剪应 D?E I ! J 为钢材的许 其中 !"(# D " E 为 O). P%=0= 平均等效应力，
!P ( 拓扑优化模型
这里用通用有限元分析软件 ,-./. 进行总柔度最小化的 拓扑优化模型为： 2676H6N8 @< =< !
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其中 ! 为车架的总柔度 ’ OIHYM63748 * ； 取 ! 为材料的密度， 值 " Z !； D! 为体积约束。该优化模型可描述为在满足体积约束
图 # 车架的结构形式及其力学模型 $%&’ # C21-52-10 <./ 9053<.%5= 9)/0+ ); 230 ;1<90
力， 即 "’9<N D " E ’ I " J 为钢材的许可剪应力， 钢材为 :6P.， 取值为 :A8PQ< 。 D6E I "J 其中 "’9<N D " E 弯扭联合工况下铆钉所受的最大剪应力，
