基于NX NASTRAN 的副車架邊梁輕量化設(shè)計

牛凱強，平志峰，劉 軍，宋雙路，咸士玉

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西 長治 046000）

1 概述

專用汽車的各種專用裝置和設(shè)備都直接或間接地安裝在車架上。為了使汽車底盤車架承受盡可能均勻的載荷，防止汽車底盤車架縱梁的應(yīng)力集中，往往在專用設(shè)備和主車架之間設(shè)計副車架。

某專用車為了增加專用設(shè)備的安裝空間，在設(shè)計副車架時，在副車架縱梁兩側(cè)設(shè)計下沉式邊梁，以滿足專用設(shè)備的安裝需求。

本文以副車架邊梁為研究對象，借助有限元分析技術(shù)，研究副車架邊梁承載專用設(shè)備后受力情況，驗證副車架邊梁設(shè)計的合理性，并對其進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。

2 副車架邊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)某專用車功能要求，專用車副車架縱梁采用300×150 盒型結(jié)構(gòu)，其邊梁需放置專用設(shè)備箱，設(shè)備箱安裝面相比縱梁上表面下沉200mm，為了滿足其強度要求，邊梁選用HG785D 高強板拼接的形式。邊梁內(nèi)側(cè)與副車架縱梁焊接的形式進行連接，為增強其剛強度，邊梁立板與縱梁上表面平齊，以增加焊縫長度。副車架邊梁的三維模型如圖1 所示。

圖1 副車架邊梁三維模型圖

3 載荷分析

如圖2 中所示，副車架邊梁為懸臂梁，專用設(shè)備箱通過螺栓連接固定在兩副車架邊梁中間，設(shè)備箱總重約16kN，單個邊梁承重800kg。該專用車跑車狀態(tài)時，副車架邊梁受力最大，動載荷約為0.3G。因此，單個邊梁上翼板上表面受力約為10192N。

圖2 副車架邊梁載荷分析圖

4 有限元分析

4.1 有限元模型建立

應(yīng)用NX NASTRAN 高級仿真模塊對副車架邊梁進行有限元模型建立，設(shè)置邊梁材料為鋼材，對邊梁進行單元劃分，選取10 節(jié)點四面體網(wǎng)格自由劃分模式，網(wǎng)格大小單元設(shè)置為10mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 中所示。

圖3 副車架邊梁網(wǎng)格圖

根據(jù)2 節(jié)中副車架邊梁的載荷分析，對邊梁有限元模型添加約束及載荷，采用迭代求解器進行求解。

4.2 結(jié)果分析

（1）副車架邊梁應(yīng)力分布如圖4 中所示。從圖中可看出最大復(fù)合應(yīng)力為141.44MPa，位于邊梁翼板折彎處。究其原因，副車架邊梁本就是懸臂梁，為了避免懸臂根部出現(xiàn)應(yīng)力集中等，將邊梁立板向上延伸，使得應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移至邊梁翼板折彎處。在車輛越野行駛過程中，副車架邊梁受載荷相對較大。所以，副車架邊梁強度遠遠高于設(shè)備箱安裝強度要求。

圖4 副車架邊梁的應(yīng)力分布圖

（2）副車架邊梁位移云圖如圖5 中所示。從圖中可看出，副車架邊梁最大位移值為1.53mm，位于邊梁最邊緣，與懸臂梁理論位移規(guī)律相符合。

通過圖4、圖5 中副車架應(yīng)力應(yīng)變云圖可以看出，該結(jié)構(gòu)的副車架邊梁強度遠遠大于設(shè)計要求的強度，設(shè)計過于冗余，因此，需對副車架邊梁進行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 副車架邊梁的應(yīng)變分布圖

5 拓撲優(yōu)化

在NX NZSTRAN 高級仿真模塊中，新建拓撲優(yōu)化求解過程，與3 節(jié)中求解結(jié)果相關(guān)聯(lián)，副車架邊梁與縱梁焊接處設(shè)置為限制區(qū)域，應(yīng)力/應(yīng)變、位移設(shè)為設(shè)計響應(yīng)，光順iso 值設(shè)為0.3，設(shè)置迭代次數(shù)為25，對副車架邊梁進行拓撲優(yōu)化計算。

計算后的結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，邊梁與主梁連接處可以減少，副車架邊梁立板可以多處增加減重孔。

圖6 副車架邊梁的拓撲優(yōu)化結(jié)果圖

迭代25 次后，副車架邊梁應(yīng)力云圖如圖7 所示，最大應(yīng)力為392.79MPa，仍然在邊梁翼板折彎處。但圖中可以看出，應(yīng)力分布相比優(yōu)化前更為均衡。

圖7 循環(huán)25：邊梁的應(yīng)力云圖

迭代25 次后，副車架邊梁應(yīng)變云圖如圖8 所示，最大位移為4.26mm，位于邊梁翼板中間部位，說明，優(yōu)化后此處過于單薄。在副車架邊梁的進一步設(shè)計時，此處需做適當(dāng)增強。

圖8 循環(huán)25：邊梁的位移云圖

根據(jù)拓撲優(yōu)化計算結(jié)果，以及專用車及工程實際的功能需求，結(jié)合機械設(shè)計基礎(chǔ)知識，副車架邊梁需進一步進行優(yōu)化設(shè)計。

6 輕量化設(shè)計

根據(jù)4 節(jié)中計算結(jié)果，對副車架邊梁進行輕量化設(shè)計。仍然采用HG785D 高強板拼接的形式，根據(jù)拓撲優(yōu)化計算結(jié)果，根據(jù)立板外形，增加梯形減重孔，為了減小圖8 中所示應(yīng)變值，減重孔避開應(yīng)變最大位置。立板上部與副車架主梁連接處進行降低高度調(diào)整，優(yōu)化后的副車架邊梁如圖9 所示。

圖9 副車架邊梁優(yōu)化后三維模型

用3 節(jié)中同樣的方法設(shè)置副車架邊梁材料及網(wǎng)格單元大小，并施加相同約束和載荷，對輕量化設(shè)計的副車架邊梁進行靜力學(xué)分析。

圖10～圖11 為輕量化后副車架邊梁應(yīng)力和位移云圖，由圖中可以看出，輕量化的邊梁，最大應(yīng)力為348.68MPa，位于邊梁翼板折彎處。最大應(yīng)變?yōu)?.682mm，位于邊梁最外端。結(jié)果表明，優(yōu)化后的邊梁滿足專用設(shè)備箱的安裝強度要求。

圖10 副車架邊梁應(yīng)力云圖

圖11 副車架邊梁應(yīng)變云圖

副車架邊梁質(zhì)量由原來14.05kg 減為9kg，減重35.94%，達到了輕量化設(shè)計目的。

7 結(jié)論

本文通過副車架邊梁的設(shè)計，應(yīng)用NX NASTRAN 對副車架邊梁進行有限元分析，并利用拓撲優(yōu)化求解進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了副車架邊梁的輕量化設(shè)計，優(yōu)化后的邊梁減重率為35.94%。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的副車架邊梁不僅能夠滿足專用設(shè)備的安裝強度要求，相比優(yōu)化強，質(zhì)量更小，受力更為均衡。為專用車安裝并轉(zhuǎn)運設(shè)備提供了理論依據(jù)。