某重卡下支架有限元分析及轻量化设计

张龙，王晓磊，张阳光，冯江峰

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）

某重卡下支架有限元分析及轻量化设计

张龙，王晓磊，张阳光，冯江峰

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）

对某重卡下支架在设计工况下的静强度性能进行了有限元分析，并对该下支架结构进行了轻量化设计。采用拓扑优化方法，以最大设计空间为优化的基结构，以重量最轻为目标函数，以结构的静强度性能为约束条件，进行了优化迭代计算。轻量化设计后，减轻了下支架的重量，且轻量化结构满足强度要求。

重型卡车；下支架；有限元分析；拓扑优化；轻量化

CLC NO.:U462Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-24-03

前言

在重卡中，下支架作为驱动桥与悬架间的一个重要的传递环节，其结构强度决定了驱动桥与悬架联结的可靠性，而其重量又影响了整车的油耗等经济性要求。轻量化是重卡行业发展的方向。轻量化的产品，可以有效提高性能、节约能源、降低成本等。所以，对重卡产品进行轻量化设计很有必要。

本文利用有限元分析软件对下支架进行强度分析，并对下支架采用拓扑优化方法进行轻量化设计，在保证整体装配和结构强度的情况下，达到节省材料，减轻重量的目的。部分桥壳进行建模。

该下支架、桥壳结构为实体结构，采用10节点四面体单元划分网格，螺栓等级为10.9级，采用六面体划分单元，利用有限元软件进行有限元分析计算。

1、有限元模型建立

下支架通过螺栓固定在桥壳和滑板支架上，这里只截取

下支架的材料为45钢，其屈服强度为368MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.30，密度为7900 kg/m3；桥壳材料为QT450，弹性模量为147GPa，泊松比为0.25，密度为7300 kg/m3；螺栓材料为冷拉钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7900 kg/m3。

得到如图1所示的下支架结构有限元模型，其中包含768694个单元。

2、有限元分析

考虑螺栓预紧，在螺栓上施加129545N预紧力，根据整车推力杆受力及主机厂道路试验载荷，分别考虑驱动和制动两种设计工况，各工况施加载荷的计算参见文献[2]与文献[3]。

在有限元模型中，下支架与桥壳结合面、桥壳与滑板支架结合面定义接触，螺栓与滑板支架绑定，其余部件之间的连接关系采用Kinematic单元，并利用Kinematic、Continuum distributing单元在模型上定义约束和施加载荷，在桥壳两端面处约束，在下支架螺栓孔中心处施加载荷，见图1。

提交有限元求解器，进行有限元分析计算，得到下支架各设计工况下的应力云图如下所示。

表1给出了各设计工况下结构的最大应力值。

表1 结构最大应力

3、轻量化设计

由各设计工况下的最大应力可知，相比于材料的屈服强度368 MPa，有很高的安全系数，结构的静强度储备充足。

可适当减弱结构的强度，以减轻重量，考虑采用拓扑优化方法对该轮毂结构进行轻量化设计。

3.1 数学模型

考虑以重量最轻为目标函数，以各设计工况下结构的最大应力不大于270MPa为约束条件。

这是一个带约束的单目标的拓扑优化问题，其数学模型如式1所示。

3.2 拓扑优化

优化的基结构的选取，考虑不改变现有的装配关系，并不与其它结构干涉，以初始设计作为基结构，寻求在初始设计上去除材料、减轻重量。基结构即为拓扑优化的设计变量，见图4。

基于前述数学模型的定义，采用拓扑优化算法进行优化迭代计算。

经过17轮的迭代，得到了满足约束条件的重量最轻的拓扑结构，如图5所示。

3.3 轻量化结构

基于上述拓扑优化得到的拓扑结构，在基结构多个位置

去除材料，并考虑工程实际，得到了如图6所示的可用于实际生产的轻量化结构。

3.4 轻量化前后对比

表2对比了轻量化前后的重量，由该表可知，重量减轻了28 %。

表2 轻量化前后重量对比

将轻量化结构进行有限元建模，并分析在前述设计工况下的静强度性能，与初始结构的结构对比如表3所示。

从对比结果可以看出，在受到相同载荷和约束的条件下，轻量化后的下支架重量减轻了28 %，各设计工况下的结构最大应力均不大于270MPa，有足够的安全裕度，满足强度要求。可以说，经过轻量化设计，有效地减轻了该下支架的重量。

表3 轻量化前后强度对比

4、结论

本文运用有限元软件对某重卡下支架建立了有限元模型，并根据分析结果，运用拓扑优化方法，对下支架进行了轻量化设计。轻量化后，结构在各设计工况下的强度满足要求，且重量减轻了28 %。本文的分析结果对下支架的轻量化设计及改进有一定的指导作用。

[1] 丁炜琦，等. 基于应力优化的大客车结构多目标优化[J]. 汽车技术，2010（4）：4-7.

[2] 竺延年. 最新车桥设计、制造、质量检测及国内外标准实用手册.北京：中国知识出版社，2005.

[3] 赖姆佩尔. 悬架元件及底盘力学. 吉林：吉林科学技术出版社，1991.

Finite element analysis and Lightweight Design of A Heavy TruckLower bracket

Zhang Long, Wang Xiaolei, Zhang Yangguang, Feng Jiangfeng
（Shaanxi Hande Axle Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

Finite element analysis was performed on the static strength properties under design conditions of a heavy truck lower bracket, and lightweight design was performed. Using topology optimization method, iterative calculations for optimization were performed, the maximum design space was taken as the base structure of optimization, the lightest weight was taken as the objective function, the structural static strength properties was taken as the constraints. After the lightweight design, the lower bracket weight was reduced, and the lightweight structure met strength requirements.

Heavy Truck; Lower Bracket; FEA; Topology Optimization; Lightweight

U462

A

1671-7988(2014)07-24-03

张龙，就职于陕西汉德车桥有限公司。