基于ANSYS Workbench车架的有限元分析和轻量化研究

基于ANSYS Workbench车架的有限元分析和轻量化研究 摘要：本文基于ANSYSWorkbench仿真平台，以云南红塔金麒麟、玉麒麟系列卡车车架为研究对象，实现对车架的静力学分析和轻量化研究，为车架的设计和优化提供参考。关键词：有限元建模；静力学分析；轻量化设计随着社会对节能减排的要求越来越高，汽车的轻量化已成为汽车领域的重要开展方向之一，而车架是汽车的重要部件之一，约占据着汽车重量的1/10，因此车架便成为汽车轻量化的首要目标。1车架的有限元建模有限元建模是有限元分析过程中的第一个重要步骤，本文采用ansysWorkbench15.0版本，对云南红塔金麒麟、玉麒麟系列卡车车架进行有限元分析。车架采用的材料为Q345，该车架全长6924mm，轴距3500mm，前端宽835mm，后端宽745mm，由左右2根纵梁和8根横梁组成，是一个典型的边梁式结构。基于相关建模原那么和网格划分方法，依次实现了：1车架几何模型的建立-考虑到车架结构的复杂性，为了提高建模效率，本文选用建模功能强大的SolidWorks软件建立几何模型；2单元类型的选择-车架纵、横梁建立为面模型，吊耳结构建立为实体模型，悬架系统采用弹簧单元来模拟，Workbench自动识别后，分别采用SHELL181，SOLID186和COMBIN14三种单元进行模拟；3连接关系的模拟-在Workbench中，纵梁和横梁以及纵梁和吊耳均采用Bonded接触关系，而悬架系统采用弹簧单元模拟板簧；4有限元网格的划分-依据网格划分标准，并结合计算精度和本钱，对车架进行了合理的网格划分。通过这一系列过程，建立了车架的有限元模型，为后文的分析打下了良好的根底。2车架的静力学分析有限元法对车架进行静力学分析，可以得到车架在静态载荷下的变形和应力分布情况，并可预知车架的薄弱位置，为车架的设计和优化提供指导和参考。本文选择具有代表性满载弯曲工况，并采用质量点的方式施加根本载荷，动载系数取为2.5。经过详细的统计，得到根本载荷驾驶室和成员共530kg，动力总成630kg，货物4000kg，得出静力分析结果如表1所示。根据静力分析结果可以看出，车架的强度是足够的，并且强度余量很大。通过有限元分析的具体应力云图和位移图得出，在纵梁和第四根横梁的连接处应力值也是较大的，而在其他地方的应力值都普遍偏小，可以考虑对这些地方的板厚进行适当减少。车架的最大变形为4.58mm，相对于车架总长，这种变形量是非常小的，说明车架的刚度也是足够的。3车架的轻量化本文所研究的车架模型，在设计初期，纵、横梁的板厚均取为6.5mm，车架的总重量为468.62kg。基于此，本文将采用满载弯曲的计算工况，需要寻求最适宜的优化方法，在满足相关性能的前提下，使车架重量最轻。设计变量选为车架的板厚，即2根纵梁和8根横梁的板厚，总共10个变量，板厚的变化范围确定在310mm；选择车架的最大应力和最大变形作为状态变量。结合满载弯曲的静力计算结果，考虑经验值1.5的平安系数，最大应力的上限设为230MPa，最大变形的上限设为5mm；选用Workbench中的响应曲面优化法，其中实验设计类型选择CCD，响应曲面类型选择Kriging。由表2可以看出，在满足车架刚度和强度要求的前提下，车架的材料得到了合理的分布。优化后，车架的重量为390kg，相对于优化前的重量468.62kg减轻了16.8%，优化效果明显。本次优化的整个过程，可以为车架的优化设计提供一种思路和方法，为深入进行车架的轻量化奠定了根底。参考文献：工程结构强度计算有限元根底M.长春：吉林科学技术出版，1990，78-103.【2】Ao.Kazuo，Niiyama.Analysisoftorsionalstiffnesssharerateoftruckframe.TechnicalPaperSeries，1991：18-21.【3】聶玉明.有限元法在半挂车车架设计中的应用J.公路交通科技，1990，71：49-53.【4】郝文化.ANSYS7.0实例分析与应用.北京：清华大学出版社，2021.方法.北京：清华大学出版社，1985.