中型客车车架结构拓扑优化设计＊

张胜兰 康元春 王 卫

（湖北汽车工业学院）

1 前言

汽车车架结构的有限元分析多是在结构设计基本成型之后，仅被用作在产品设计后期对设计方案进行校核，缺点一是结构无法创新；二是若发现问题，设计者已没有足够的自由度对结构做出全面改进，仅能局部调整。随着基于有限元的结构优化技术发展成熟，拓扑优化正逐步应用于产品的概念设计阶段，从而使上述缺点得到改善。

本文以某公司开发的中型客车车架为原型，利用HyperWorks，以车架静态性能为基础，建立了车架3种拓扑优化概念模型，研究并探讨了车架横梁及副梁支撑分布方案，在满足结构强度及模态性能前提下，使车架质量减轻了22%。

2 原车架的静力分析

原车架结构如图1所示。车架材料为DL510，材料属性参数如表1所列。为方便后续的结构优化，将车架结构进行了简化，在静力分析中省略了吊耳和钢板弹簧。该中型客车整车质量（满载且含超载指标）为10 059 kg，车架净质量为524.2 kg，动力总成质量为610 kg，按集中质量形式施加在动力总成质心位置，行李舱质量为750 kg，均匀分布在行李舱纵梁上，其他载荷直接以分布压力形式施加在纵梁前段和副梁上。计算了车架分别在弯曲、左前轮上跳、左后轮上跳3种工况下的强度，结果如表2所列。

表1 DL510材料属性

表2 车架静力分析结果

弯曲工况下的最大应力出现在左纵梁与行李舱纵梁螺栓连接位置，最大位移位于行李舱纵梁左后端，如图2所示。左前轮上跳40 mm时，最大应力发生在左、右副梁前端的横梁右侧连接处，最大位移发生在左纵梁前端；左后轮上跳40 mm时，最大应力发生在左、右副梁前端的横梁左侧连接处，最大位移发生在行李舱左副梁后端；3个工况下整个车架均处于低应力状态。考虑该车架在多年的实际使用过程中表现较好，未出现过损坏情况，因此认为各处的应力集中应为螺栓连接模拟不合理引起，车架满足材料强度要求。

3 车架的拓扑优化

根据实际情况，建立了3种车架拓扑优化概念模型方案。方案1，纵梁、副梁为壳单元，其他为实体单元；方案2，车架为壳单元模型；方案3，车架为无副梁实体单元模型。以质量最轻为目的，在满足结构强度前提下，以单元密度为设计变量，位移或应变能为约束条件，在弯曲工况、扭转工况（左前轮上跳、左后轮上跳）和弯扭组合工况下施加对称约束并设定最小成员尺寸为100 mm，最大成员尺寸为 250 mm，对车架进行拓扑优化。

3.1 方案1

按原车架尺寸建立纵梁、副梁壳单元，并设定为不可设计域；车架纵梁之间以及纵梁与副梁之间用实体单元填充，并设定为可设计域。在各工况下得到的拓扑优化结果如图3～图6所示。

3.2 方案2

车架纵梁之间用两层壳单元，纵梁与副梁之间用壳单元填充，在各工况下得到的拓扑优化结果如图7～图10所示。

3.3 方案3

去除副梁与支撑，在纵梁之间使用实体单元填充，在各工况下的拓扑优化结果如图11～图14所示。

从3种方案拓扑结果云图可以看到：

a. 由于纵梁主要用来提高车架的抗弯强度，从方案1弯曲工况拓扑结果可以看出，未出现明显的抗扭横梁。

b. 主车架结构左、右分布的两根纵梁、副梁为非设计区域，在方案1、方案2的拓扑优化中副梁与纵梁间的支撑分布明显。

c. 在无副梁实体模型的方案3中，纵梁间的横梁分布明显。

d. 3个方案中，左前轮上跳、左后轮上跳、弯扭组合工况的拓扑结果云图中均出现了明显的X型横梁分布。

4 车架结构二次设计

根据多工况下的拓扑结果云图，并综合考虑车架结构功能要求，对该中型客车车架进行二次设计。图15为二次设计后的车架结构，副梁与纵梁间的支撑结构变化较大，如图16所示。

表3、表4分别列出了二次设计后新车架与原车架的位移与应力状态。表5列出了原车架与新车架前7阶固有频率与振型。原车架与新车架质量对比如表6所列。

表3 新车架与原车架位移对比 mm

表4 新车架与原车架应力对比 MPa

根据上述结果分析可知：

a. 优化后车架支撑采用矩形截面型材，相比原结构工艺简单，可以降低成本。

b. 通过拓扑优化，横梁及副梁支撑得到了比较理想的材料分布。

表5 原车架与新车架模态性能对比

c.新车架结构与原车架结构相比，其1阶扭转频率从7.99 Hz提高到10.16 Hz，扭转刚度有较大提高。

d. 在满足结构强度及模态性能前提下，质量减轻118.2 kg，占原有质量的22%。

表6 原车架与新车架质量对比 kg

5 结束语

汽车轻量化的研究现在大多集中于采用轻质材料上，但由于成本、制造工艺、环保等方面的原因，轻质材料还很难应用于一般车辆，因此结构优化设计将成为商用车轻量化最重要的手段，具有广泛的应用前景。利用基于有限元法的结构优化技术，在保证（甚至提高）各项性能的前提下，通过结构优化可以做到消除车架臃肿的设计。

a.新一代的车架概念设计中，引入拓扑优化技术寻找出优化空间中的最佳材料布局，必将成为车架设计研究的重点。

b. 拓扑优化得到的材料分布结果可以为车架改进提供依据。

c. X型结构有明显的抗扭效果，在车架设计中根据布置要求可以考虑X型结构。

1 庄才敖，等．考虑应力和频率要求的车架结构拓扑优化设计．汽车工程，2008，5.

2 张胜兰，严飞.基于HyperWorks的车架模态分析.机械设计与制造，2005，4.

3 王健，等.应力约束下的车架结构拓扑优化设计.汽车工程，1997.

4 吕东升，王东方，苏小平.基于HyperWorks的某客车车架有限元分析.机械设计与制造，2011.

5 刘齐茂，李春林.某型载货车车架结构的拓扑优化.广西工学院学报，2004.