辛堯 霍佳興

摘 要：近些年來(lái)，有限元法在汽車車架方面的研究日趨成熟，有限元法已經(jīng)成為汽車車架結(jié)構(gòu)研究的一種重要手段，對(duì)降低生產(chǎn)成本、縮短研制周期、提高質(zhì)量具有重要意義。傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等方式，而近年來(lái)逐漸成熟的多目標(biāo)遺傳算法和響應(yīng)面法在多個(gè)學(xué)科研究中得到廣泛的應(yīng)用，該方法顯示出強(qiáng)大的求解能力和廣泛的適應(yīng)性。因此本文采用多目標(biāo)遺傳算法和響應(yīng)面法對(duì)房車車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：房車車架；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 車架有限元分析類型

1.1 靜力分析

在靜力學(xué)分析之中，對(duì)汽車車架的有限元分析通常需要計(jì)算四個(gè)基本工況，即彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、制動(dòng)工況以及轉(zhuǎn)彎工況，而在本課題中，由于房車車架的特殊運(yùn)行特點(diǎn)，我們還對(duì)車架進(jìn)行了臨時(shí)載人工況的分析，對(duì)以上五個(gè)工況的模擬分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)本課題中拖掛式房車車架的有限元分析。通常來(lái)說(shuō)，在我們完成了汽車車架有限元分析之后需要對(duì)計(jì)算分析結(jié)果做可視化處理，也就是分析結(jié)果的后處理，通過(guò)結(jié)果后處理可以得到車架的應(yīng)力分布云圖以及位移分布云圖，觀察云圖結(jié)果可以找到車架在運(yùn)行過(guò)程中最大應(yīng)力以及最大位移位置，通過(guò)結(jié)果與使用材料比對(duì)來(lái)決定車架是否需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 模態(tài)分析

現(xiàn)如今，汽車的行駛速度越來(lái)越快，這也導(dǎo)致了車輛的振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題在車輛性能檢測(cè)中的地位越來(lái)越高，而車架作為汽車關(guān)鍵承載部件，在汽車運(yùn)行行駛過(guò)程中受到外部顛簸振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生彎曲或者扭轉(zhuǎn)，不僅會(huì)嚴(yán)重影響車輛乘坐的舒適性還會(huì)降低車架的使用壽命。通過(guò)對(duì)車架的模態(tài)分析可以得到車架的固有頻率以及固有振型，經(jīng)過(guò)必要的分析優(yōu)化，在車輛行駛過(guò)程中可以避免其發(fā)生共振。

1.3 動(dòng)力響應(yīng)分析

當(dāng)所研究的車輛在行駛過(guò)程中，外界會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)，而外界激勵(lì)的動(dòng)力性能響應(yīng)會(huì)對(duì)車架性能產(chǎn)生影響，車架動(dòng)力性能響應(yīng)分析就針對(duì)這種外部影響進(jìn)行分析。而在動(dòng)力響應(yīng)分析之中，所遇到的難題有很多，比如阻尼陣的確定、路面激勵(lì)的模擬等等，這些問(wèn)題也導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)力響應(yīng)分析的研究進(jìn)展推進(jìn)緩慢。

2 車架有限元模型的建立

2.1 車架幾何模型的建立

一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際中所分析的工程結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，幾何模型與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的差別導(dǎo)致的誤差要比有限元法本身的計(jì)算誤差大的多。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，幾何模型的準(zhǔn)確性對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響，因此在進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)有限元分析之前，建立合理有效的車架幾何模型是十分必要的。之前的相關(guān)研究出于計(jì)算成本的考慮，大多將車架考慮成一個(gè)整體建立幾何模型，這種建模方式有效的減小了計(jì)算時(shí)間，但有時(shí)并不能真實(shí)的反映出車架上應(yīng)力的分布情況和應(yīng)力集中的位置。本文采用將車架各零件分別建模，再根據(jù)各零件之間的安裝、位置關(guān)系將其裝配而成的方法。ANSYSWorkbench雖然具有幾何建模的功能，但由于車架結(jié)構(gòu)零件繁多，結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，主要由各類型號(hào)的矩形管、角鋼等薄壁類零件組成。因此本文選用與其具有良好的數(shù)據(jù)共享性能的大型三維建模軟件Pro/E建立車架結(jié)構(gòu)的幾何模型。

2.2 幾何模型的導(dǎo)入及對(duì)模型的處理

該房車車架結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，主要由各類型號(hào)的矩形管、角鋼等薄壁類零件組成。在車架幾何模型中，一些細(xì)小的特征對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，但是對(duì)網(wǎng)格劃分規(guī)模和求解速度的影響較大，有時(shí)會(huì)造成求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此為了提高計(jì)算效率，在不影響計(jì)算結(jié)果正確性的前提下需要對(duì)幾何模型做出如下的簡(jiǎn)化：（1）對(duì)部分零件形狀的光順化：對(duì)于部分零件的尺寸較小的工藝孔、園倒角等細(xì)節(jié)特征，會(huì)增加網(wǎng)格劃分的規(guī)模和求解速度，可以將其忽略。（2）省略幾何模型中的非承載部件：對(duì)于車架幾何模型中一些輔助承載的部件，如懸架彈簧支座圓環(huán)及其他小的支架等附屬裝置，這些部件對(duì)車架整體強(qiáng)剛度和模態(tài)的影響很小，可以將其省略。本文所分析的車架結(jié)構(gòu)主要由各類薄壁類零件組成，該零件的特點(diǎn)是寬度和長(zhǎng)度一般是厚度的十倍以上。對(duì)于這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)通常選用板殼單元，既可以減少單元數(shù)量，又能準(zhǔn)確地建立有限元模型從而得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。因此對(duì)車架幾何模型做出簡(jiǎn)化處理后，應(yīng)該對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行提取中面處理。中面是零件中間的一層曲面，是對(duì)薄壁零件的一種近似，提取中面處理也是劃分板殼單元網(wǎng)格過(guò)程中的必要環(huán)節(jié)。打開Workbench，雙擊Geometry，進(jìn)入模型處理模塊，選擇工具中的Mid-Surface功能，選擇自動(dòng)提取的方式，對(duì)于不同厚度的零件，分別設(shè)置不同的厚度抽取容差。設(shè)置完畢后，工具自動(dòng)找出可提取的中面，單擊Generate即可生成中面。提取完中面后，一些原本連接在一起的零部件之間出現(xiàn)了縫隙，為了消除縫隙，可以采用工具中的SurfaceExtension功能，將零件重新連接起來(lái)，確保處理后的模型仍然是一個(gè)整體。另外，對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行定義，X軸正向?yàn)檐囕v前進(jìn)方向，Y軸正向?yàn)榍斑M(jìn)方向的右側(cè)，Z軸正向?yàn)榇怪毕蛳隆?/p>

3 車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化工況載荷和約束

考慮車架實(shí)際行駛工況，包括彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，由前一節(jié)可以看出，右輪懸空工況比左輪懸空工況更為惡劣，因此扭轉(zhuǎn)工況僅考慮右輪懸空。根據(jù)上一節(jié)中車架載荷，選擇主要承載部件，將工具箱及工具、水箱、吊柜以集中載荷的形式分別施加于牽引架后部、車身底部，以及車身側(cè)圍對(duì)應(yīng)的位置，床、木柜則以均布載荷的形式分別施加載于車身底部、前部和后部。同時(shí)，在輪轂中心與車身以rbe2單元模擬連接關(guān)系，約束輪轂中心的自由度。對(duì)于彎曲工況，約束牽引架前端、左輪、右輪的xyz平動(dòng)自由度；對(duì)于右輪懸空工況，約束牽引架前端、左輪的xyz平動(dòng)自由度，放開右輪自由度，同時(shí)施加大小為470N的簧下載荷。

3.2 優(yōu)化參數(shù)

優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置是否合適對(duì)于能否獲得清晰能辨的優(yōu)化方案十分重要，經(jīng)試算后，設(shè)置最小成員尺寸MINDIM為60mm，最大成員尺寸MAXDIM為180mm，棋盤格參數(shù)CHECKER和離散參數(shù)DIS-CRETE分別為1和2。

3.3 單工況優(yōu)化結(jié)果

利用Optistruct求解器對(duì)房車進(jìn)行彎曲工況和右輪懸空工況下的拓?fù)鋬?yōu)化分析，經(jīng)過(guò)60次和49次迭代計(jì)算后，目標(biāo)函數(shù)收斂.

3.4 彎扭聯(lián)合工況優(yōu)化結(jié)果

在房車行駛過(guò)程中，通常會(huì)遇到多個(gè)復(fù)雜工況，為了充分考慮到各個(gè)工況對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建更為合理的結(jié)構(gòu)，綜合彎曲和扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行多工況拓?fù)鋬?yōu)化分析。建立多工況拓?fù)鋬?yōu)化模型的載荷和約束與各對(duì)應(yīng)單工況一致，采用折衷規(guī)劃法，將彎曲和扭轉(zhuǎn)工況取相同權(quán)重，并根據(jù)各單工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)置對(duì)應(yīng)的柔度參考值。經(jīng)57次迭代，目標(biāo)函數(shù)開始收斂，柔度與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線和材料密度分布云圖如圖1和圖2。從圖中可以看出，多工況拓?fù)鋬?yōu)化后載荷傳遞路徑明顯，較好地綜合了單工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的特點(diǎn)，但體現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)工況主導(dǎo)型，整體結(jié)果較為合理。材料主要分布在車身底部以及牽引架，車身前部、側(cè)圍和頂面材料分布不多。車架需要至少有兩個(gè)縱梁以保證彎曲剛度，需要在牽引架處增加斜撐以及靠近車架中部的區(qū)域增加若干橫梁以提高扭轉(zhuǎn)剛度，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果可以為后期車架的重新設(shè)計(jì)提供參考。

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