房车车架分析及结构优化设计 (共页)

Vol 47 No. 2Feb. 2019第47卷第2期林业机械与木工设备2019 年 2 月FORESTRY MACHINERY & WOODWORKING EQUIPMENT研究与设计房车车架分析及结构优化设计何颖，王青春收稿日期:2018-11-12第一作者简介：何 颖(1994 -),女，硕士研究生，研究方向为汽车结构轻量化,E-mail：heying bjfii. edu. cno 通讯作者：王青春(1969-),男，副教授，博士，主要研究方向为结构力学性能分析与优化设计，E-mail: wangqingchun bjfu. edu. cno,王梓晴(北京林业大学工学院北京100083)摘 要：以拖挂式房车为研究对象，利用Hyperworks系列软件，建立其原始车架的有限元模型，并对其进 行了三种典型工况(弯曲工况、左轮悬空工况、右轮悬空工况)下的静力学分析，发现原车架结构有优化的必 要。在概念设计阶段重新对该房车车架进行设计，引入了拓扑优化理论及方法，对其进行单工况和多工况的 拓扑优化设计，得到了传力路径清晰、材料分布合理的拓扑优化单元密度分布云图。通过对拓扑优化结果的 合理解读以及对车架进行重构和有限元分析，并将其与原始车架进行对比，显示优化后的车架性能有所提升， 满足结构刚强度要求，且质量减轻13.4%,轻量化效果明显，可以为拖挂式房车车架的拓扑优化设计提供 参考。关键词：拖挂式房车；车架；拓扑优化；结构优化中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：2095 -2953(2019)02-0035 -07Analysis and Structural Optimization Design of a RV FrameHE Ying, WANG Qing-chun * , WANG Zi-qing(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijingl000831China)Abstract: Tn this paper with towablc RVs as research object w a finite element model based on the original frame is established using Hyperworks series software,willi static analysis under three typical working conditions(bending condi tion, left wheel hovering condition and right wheel hovering condition) carried out, indicating the necessity to optimize the structure of the original frame. At the conceptual design stage, the frame was redesigned, with the theory and method of topological optimization introduced to optimize the frame under single and multiple working conditions. The topological optimization result,a contour plot of element density distribution of with a clear transmission path and obvious and reasonable material distribution, was obtained. By reasonably interpreting the results of topology optimization, the frame was reconstructed and analyzed with a finite element method Compared with the original frame, the pcrfonnancc of the optimized frame was improved and met the structural stiffness and strength requirements, with the weight reduced by 13. 4% , noticeable lightweight effects obtained .which can provide reference for the topology optimization design of towable KV frames.Key words: towable RV ； vehicle frame ； topology optimization ； structural optimization第2期何 颖,等:房车车架分析及结构优化设计43汽车轻址化不仅可以减少制造所需的材料以降 低制造成本，同时由丁质量的减轻还可以提高汽车 的经济性卽。对于微型拖挂式房乍，轻址化还可 以更好地满足发展和推广的要求，增加允许托运的重址（如行李物品等）有助于提升微型拖挂式房乍 的市场竞争力。随着国内房车产业的发展，现代化 房车的设计要求不断提高，利用现代的设计方法 进行车架的轻量化设计尤为重要。国内生产的房车冇的是根据已冇乘用车车型的 底盘改装而成有的是根据经验设计而成，其往往会 导致车架局部刚度不足或部分结构材料冗余。山于 房车内部与普通车辆不同通常有床、衣柜等家具.布 魁特殊，而且対已冇的车架进行改型往往会受限于冇 限的优化空间因此在尺寸、形状上的优化效果有限。结构拓扑优化的概念提出至今已有100多年. 近年来随着计算机及软件技术的发展结构拓扑优 化技术迅速应用丁各个工程领域是轻址化的-种 行之冇效的方法 61 o在汽车领域，当前国内拓扑 优化技术在客车、轿车、货车车架上应用的较多。王 思祖等对全承载式客车车身进行了极限工况下的拓 扑优化，满足强度和刚度要求,重构后的新客车车身 结构布局更加合理,轻量化效果显著；丁明亮等对 客车车身骨架先后进行了拓扑优化和尺寸优化优 化后的方案使骨架在质戢减轻的同时保持了振动特 性，强度性能明显改善；解运等对某专用车辆进行 了单工况和多工况的拓扑优化设计，设计出了一种 桁架式车架；葛冬冬等基于Optistruct软件对电动 汽车车身骨架进行拓扑优化得到的车身骨架结构 优化方案比优化前的质量减少1896%3】；谢伦杰 等综合考虑静动态特性对电动汽车车身结构进行了 多目标拓扑优化;郑文杰等采用拓扑优化方法 对赛车车架结构进行优化，重构后进一步进行尺寸 优化优化后的车架质址减轻了 13.5%,轻址化效果 明显问，已在工程实车中应用;潘锋等基于SIMP模 型和优化准则的拓扑优化方法对微型货车车架的局 部结构进行了优化,减亚效果达到15. 63%*。在 房车车架方面，拓扑优化技术应用较少。张橹“对 某拖挂式房车车架进行了有限元分析对原车架梁 的厚度进行了尺寸优化在满足刚度、强度的条件下 比初始方案减轻&32%。在设计阶段，引入拓扑优 化理论和方法，可以适当提升车架力学性能同时后 续可以进行尺寸优化，达到更佳的轻址化效果。本文以某型号的拖挂式房车为研究对象，对原 始车架进行了冇限元分析，发现原始车架的不足。 衣概念设计阶段进行了单工况和多工况拓扑优化设 计，根据优化结果对结构传力路径做出评估，山此建 立满足总体布置和实际行驶要求的车架结构，并进行了相应工况的有限元分析与原始乍架相对比。1原始车架有限元分析原车架由不同型号的矩形钢管、方管、角铁等薄 壁类冬件焊接而成根据图纸建立原始车架的三维 模別如图1所示。车架主纵梁、前横梁以及独悬小梁 截面尺寸为70 mm x50 inm x3 mm,水箱悬吊横梁、外 侧横纵梁等截面尺寸为40 min x20 inm x2 mm,前、 屮、后部横梁等截面尺寸均为25 mm x25 mm x2 对各个结构提取中面，并对一些对计算精度影响不大 的部分进行了简化并且不考虑悬架系统。图1原始车架三维模型11车架网格划分在Hypermesh软件中建立有限元模型。山于各 梁宽厚比大,因此采用壳单元建模,其在提高计算效 率的同时也能保证一定的精度用共节点的方 式模拟焊接避免焊接部分因为刚性单元刚度过大 而导致应力失真引起的应力集中现象。乍架单元尺 寸约为20 mm,以四边形单元为主，在局部难以实现 的地方可使用三角形单元总共得到47 017个单 元，经单元质鈕检查QI指数显示单元质量理想网 格划分局部如图2所示。车架材料采用Q345,弹性 模量206 GPa,泊松比0.28,密度7. 85 g/cm3,屈服强 度为345 MPa安全系数取1.5:,7J,计算出许用应力 值为 230 MPao图2网格划分局部图图3弯曲工况载荷和约束示意图对于弯曲工况，约束牵引架、乍架两侧悬架吊耳及乍 架与减震器连接处的6个自由度；对丁左轮悬空工 况和右轮悬空T况,约束牵引架的6个自由度，并分 别约束右侧和左侧悬架吊耳及车架减怠器连接处的 6个自由度，另一侧约束x、y方向的平动白由度。采用OptiStruct求解器进行分析,得到三种工况 下的应力云图和变形云图，如图4 10所示。Element SlresHesAnalysis ylernNorcsultDisplacemenl(Mag)Analysis system12载荷和约束在房车实际拖挂行驶屮，主要承受弯曲工况和 扭转工况。弯曲丄况模拟房车在满载状态下匀速行 驶的工况，扭转工况模拟车辆满载低速通过凹凸不 半路面时某轮悬空的工况”如。拖挂式房车仅有 三点支撑,在扭转工况下，车身受到较大扭矩作用的 同时，乍身容易失稳，这是最危险的工况之一。由于 房车内布置不对称，因此分开考虑左轮和右轮悬空 工况。车架上承载的主要部件有水箱、床、木柜、工具 箱、乘客及车身等其他附件，采用均布载荷方式加于 车架相应位置上。同时在有限元模型上施加垂直方 向的重力加速度来模拟车架自重。弯曲和扭转两种 典型工况下所承受的基本载荷一致，不同点在于对 于扭转T.况，在悬空的一侧额外施加悬架系统的重 力。车架所受具体的载荷数值、加载方式以及对应 的工况见表1。表1主要承载部件、加载方式载荷名称质 #/kg载荷/N加载方式及位置车架99970.2重力卡片GRAV水箱82804均布载荷，水箱吊耳与横梁连（65 L满载）接处床（包括1091 069均布载荷，车架丽部相应横、纵床头柜）梁处木柜95931均布载荷车架后部工貝箱及工具35340均布载荷,车架前端纵梁连接处乘客65 *21 274均布载荷与床一起附件及车4204 116均布载荷，与车身连接的纵梁、身蒙皮等主要横梁处轮胎和 独立悬架48470均布载荷，悬架吊耳及车架与 减震器连接处（左轮和右轮悬 空工况）E1.725E+O2 1.533E+02 1.34IE+02-1.150E+029.581E+017.665E+01町5.749E+01t3833E+()l1.916E+017.033 E-08Max=1.725E+02 2D 35184 Min=7.033E-0 2D 46878图4弯曲工况下应力云图E7.993E-F00 7.105E+00 6.217E4005.329E+OO 4.441 E+00汾 3.553E+OO汾 2.664K+00 备、1.776E+00參 8.882E-01IL：0000E+(X)NoresultMax=7.993E+00 Grids 38525MinSOOOE+OOGrids 40788图5弯曲工况下变形云图图6弯曲工况下局部应力云图对于弯曲工况，从应力分布來看,应力主要分布 在各横梁与主纵梁的焊接处，大小在40 90 MPa之间;在主纵梁的中部应力较人,最人应力在减压器与 车架连接的横梁,大小为172.5 MPa,在安全许用应 力范用内；除上述位置车架大部分位登的应力都在 30 MPa以下。车架最大变形为7. 9 mm,位于车架右 后方，由于房车上主要的重物分布都在后部,口该位 置是车架尾部离悬架支撑处较远，因此变形较大. 此外其他位豐变形均在4 mm以下。Corilour Plol Elemenl StressesAnalysis systemE3.881E+02345()E+()23.018E+022.5B7E+02i256E+()21.725E+02r 1.294E+02 f-8.624E+01 卜4.312E+0I* 6.440E-07NoresullContour Plol Displacernert(Mag) Analysis system.3141E+01 卜2.792 叶)1 纂2443E+012.094E+0I 1.745E+0I1.396E+011.047E+016.980E+003.490E+00 O.OOOE+OONorcMullMax=3.881E+O2 2D 45771 Min=6.440E-07 2D 46880图10右轮悬空工况下变形云图Max=3 E+01Grids 39488Min=0.000E+00Grids 40788图7左轮悬空工况下应力云图Contour Plol Elemenl SlresnesAnalysis systemE3.869E+02 3.439E+02 3.009E+022.579E+022.I45E+021.719E+02fl290E+028.587E+014.299E+014.783E-07NoresullMax=3.69E+()2 2D 43783 Min=4.783E-07 2D 46880图8左轮悬空工况下变形云图Contour PlolDisplacernert(Mag) Analysis systemE3.453E+013.069E+0I2.868E+01 2.302E+011.918E+0I1.535E+01針1J51E+01j*7.673E+00|-3.837E+0()-0.000E+00NoresullMax=3.453E+()1Grids 38621 Min=0.0(X)E+00Grids 41266图9右轮悬空工况下应力云图对于左轮悬空和右轮悬空工况最大应力为 386.8 MPa和388. 0 MPa均岀现在悬架吊耳附近，超 出了车架材料的屈服强度，影响车架的使用寿命。 最大变形为31.4 nun和34.5 nmi分别在乍架右后 部和左后部，比较危险。总的来说，原车架应力分布不均匀，在满载时弯 曲工况的最大应力值未超过许用应力值且大部分 结构的应力水平相对于许用应力值还冇较人的安全 空间，车架结构在弯曲工况下满足强度要求但扭转 工况下较为危险扭转刚度需要提升冇优化的空间 和必要。2房车车架拓扑优化设计2.1拓扑优化数学模型拓扑优化方法是在给是的设计空间区域内在 一定的约束条件下寻找材料的最佳分布，从而达到 设计冃的的一种结构优化方法，其包含的三要素为 设计变量、约束条件以及目标函数。本文以单 元材料密度为设计变量，约朿条件为30%的休积分 数即保证优化的结果最多不得超过原始体积的 30%,冃标为柔度最小化。构造单工况下的拓扑优 化数学模型如下：min （几）=卩=工（P”）仏odes 15.1. KU = FV N即4W3%OWQninW几 W1其中,C为结构柔度4为单元材料密度，U为位 移矩阵K为优化前的结构总刚度矩阵F为力列向 量心为位移单元列向拭上0为结构初始单元刚度矩 阵，玖为单元体积,N为单元总数。2.2车架拓扑优化设计在概念设计阶段，根据已经确定的房车总体布 置和车身造型，选取尽可能大的区域作为优化空间, 充分挖掘优化潜力。因此考虑房车的主要布置特点 和安装等实际要求,将梯形牵引架、底面、车身侧围、 弧形顶面确定为设计空间，并去除悬架系统、车轮、 车窗、门框等安放位置。在Hypcnncsh软件中采用壳单元划分网格，调 整网格疏密程度，将承载和安装部位附近没置单元 人小为10 mm,其余部位则设置为20 mm。经quality index功能检査无误后得到的模型共冇单元99 310 个，节点99 731个。车身拓扑优化空间如图11 所示。图n车身拓扑优化空间木柜X I集屮载荷I丁飜笄朋荷I图12拓扑优化载荷和约束示意图2. 2. 1 优化工况载荷和约束考虑车架实际行驶工况，包括弯曲工况和扭转 工况由前一节可以看出，右轮悬空工况比左轮悬空 工况更为恶劣，因此扭转工况仅考虑右轮悬空。根 据上一节中车架载荷，选择主要承载部件，将工具箱 及T.具、水箱、吊柜以集中载荷的形式分别施丿川于牵 引架后部、车身底部，以及车身侧围对应的位臂，床、 木柜则以均布载荷的形式分别施加载于乍身底部、 前部和后部。同时,在轮毂中心与车身以rbe2单元模拟连接 关系，约束轮毂中心的自由度。对于弯曲工况，约束 牵引架前端、左轮、右轮的xyz平动白由度;对于右轮 悬空工况，约束牵引架丽端、左轮的xyz平动自由度, 放开右轮自山度，同时施加大小为470 N的簧下 载荷。2. 2. 2优化参数优化参数的设直是否合适对于能否获得消晰能 辨的优化方案十分重要，经试算后，设垃最小成员尺 寸M1ND1M为60 mm,最大成员尺寸MAXDIM为 180 mg棋盘格参数CHECKER和离散参数DISCRETE 分别为1和2。2. 2.3 单工况优化结果利用Oplislrucl求解器对房车进行弯曲工况和右 轮悬空工况下的拓扑优化分析，经过60次和49次 迭代计算后，冃标函数收敛。优化后各单工况的单 元材料密度分布云图如图13、图14所示。图13弯曲工况(049)图14右轮悬空工况(054)从图中可以看出，材料密度分布云图能够清晰 地显示出载荷的传递路径，两个工况的材料分布略 有差异，结果与实际情况也比较吻合。2. 2.4 宵扭联合工况优化结果在房车行驶过程中，通常会遇到多个复杂工况, 为了充分考虑到各个工况对应的结构特点，构建更 为合理的结构，综合弯曲和扭转工况进行多工况拓 扑优化分析。建立多工况拓扑优化模型的载荷和约 束与各对应单工况-致，采用折衷规划法，将弯曲和 扭转丁况取相同权吐,并根据各单工况拓扑优化结 果设垃对应的柔度参考值。经57次迭代目标函数开始收敛，柔度与迭代 次数的关系曲线和材料密度分布云图如图15、图16 所示。以保证弯曲刚度，需要在牵引架处增加斜椁以及靠 近车架中部的区域增加若干横梁以提高扭转刚度, 拓扑优化的结果町以为后期车架的巫新设计提供 参考。3车架重构设计与对比分析3.1车架结构设计与有限元建模根据对多工况拓扑优化的结果解读考虑加工 制造等条件，同时为了便于快速修改及对比，在Hy permesh中用梁单元进行重构，单元大小为10 mm, 单元数冃为2 931,节点数冃为2 915个,材料仍使用 Q345。新车架模型如图17所示。横纵梁矩形管型 号与原始车架一致，两个主纵梁的截面尺寸为 70 mm x50 mm x3 mm,第一横梁及牵引架斜撑的截 面尺寸为25 mmx25 mm x2 mm,其余横梁及中部纵 梁的截面尺寸为40 mm x20 mm x 2 mrno迭代次数/次图17新车架图15迭代优化曲线图16弯扭联合工况下材料密度分布云图（049）从图中可以看出，多工况拓扑优化后载荷传递 路径明显，较好地综合了单工况拓扑优化结果的特 点，但体现出扭转工况主导型，整体结果较为合理C 材料主要分布在车身底部以及牵引架，车身丽部、侧 围和顶面材料分布不多。千架需要至少冇两个纵梁3.2各工况有限元分析对其进行弯曲工况、左轮悬空工况和右轮悬空 工况下的力学分析。各工况施加的载荷人小和约束 方式与原始车架一致。弯曲和扭转工况下新车架与 原车架的强度分析对比见表2。表2新车架与原车架强度分析对比工况类別新车架原车架对比最大应力/MPa156.7172.5-9.2%弯曲工况9.57.920.3%最大应力/MPa340.6386.8-11.9%左轮悬空工况最人仪移/mm29.931.4-4. 8%圮大应力/MPd345.538& 1-11.0%右轮悬空工况最大位移/mm26.634.5-22.9%由表2可知，新车架各个工况下的最大应力都有很大程度的降低，弯曲工况下的最大位移有所增 加,但总体来说性能得到了改善，且重构后的新车架 遠世为7& 8kg,比原始乍架(对应同等情况下除悬架 吊耳、水箱吊耳、支撑架等91.0 kg)减重12.2 kg, 重效果约为13.4%,轻就化效果明显。4结论本文以拖挂式房车为研究对象，采用Hyper- works系列软件,对原始车架进行了三种典型工况下 的有限元分析。引入拓扑优化方法对其进行了弯曲 工况、扭转工况以及弯扭联合工况的优化设计，得到 了传力路径清晰、材料分布合理的拓扑优化单元密 度分布云图，通过对拓扑优化结果的合理解读，对车 架进行了重构和冇限元分析，在最大应力、最大变形 以及重址等方面与原始车架进行了对比，结果显示, 优化后的乍架性能冇所提升，质戢减轻/ 13.4%,轻 量化效果明显，为以后进一步设计承载式车身及尺 寸优化更定了良好的基础 参考文献：1苏瑞意，桂良进,吴章斌等大客车车身骨架多学科协同优化 设计J.机械工程学报,2010.46(18) ：128 - 133.12范子杰，桂良进,苏瑞意汽车轻帚化技术的研究与进展J汽 车安全与节能学报,2014,5( 1)：1 -16.3 周成军，沈蝶枫,周新年等.电动汽车车身结构轻就化研究进 展J.林业机械与木工设备,2012,40(11):14-18.4 赵连星，黄银花，李迪.某房车车架冇限元分析J机电信息, 2017(36):127 -128.51郭中泽张卫红陈裕泽.结构拓扑优化设计综述机械设 计,2007.24(8):1 -6.16扶原放，金达铮乔蔚炜微型电动车车架结构优化设计方 法J.机械工程学报,2009.45(9):210-213.L7壬思祖黄帰友曹佳，零.全承载式客车车身结构轻就化设 计J.机械设计与制造,2014( 10) ：73 -7581 J明亮，严运兵，杨勇，等基于拓扑优化与灵敏度分析的公交 车车身骨架轻幣化门1 机械强度.2018,40(2):363 - 369.9J解运，何颖，王青春某专用车辆乍架多工况拓扑优化设计J. 农业装备与车辆工程,2018,56(2) ：78-81.10J為冬冬，祝良荣，玄东吉.基F OptiStruct的电动汽乍车身骨架 拓扑优化J 科技通报,2015,31 (9) ：240244.11J杨勇升降式自动换轨电动半板车的改进设计JJ.林业机械 与木工设备,2018,46(6) ：43 -45.12J谢伦杰，张维刚，常伟波，等基于SIMP理论的电动汽车车身 多冃标拓扑优化J 汽车工程,2013,35(7):583 -587.13郑文杰，兰凤崇,陈吉清.FSA1:赛车车架结构拓扑优化及轻宦 化设计研究LJJ.汽车工程学报,2016,6(1) ：35 -42.14J潘锋，朱平，孟瑾.微順货车车架的拓扑优化设计J.机械设 计与研究,2008,24(2):87 90.15J张橹房车车架有限元分析及结构优化D.淄博：山东理工 大学,2016.16J杨扩岭，吴淑芳,李志雄，等.不同单元建模的桥式起重机箱形 梁有限元分析研究J.机械制造与自动化,2018,47(4)：101 -104.17 邹帆，何锋，李真，辱.基F ABAQLS的客车车身骨架静态分析 与轻量化研究J.农业装备与车辆工程,2013,51 (11 ):22 - 24 + 60.18 赵强，白欣.基于粒子群算法优化的车辆主动悬架PID控 制J森林工程,2017,33(1):66-69.19J尹安东，翼来智.王欢，辱.基于IlyperWorks的电动汽车车架 有限元分析J.合肥工业大学学报：自然科学版,2014,37 (1):6-9+77.20J包中良.杲商用车车架结构有限元分析及试验研究D.重 庆:眾庆大学,2016.21 赵红伟，陈潇凯，林逸.电动汽车动力电池仓拓扑优化J.吉 林大学学报:工学版,2009,39(4)：846 - 850.22 龙亚文，杜跃雯基f Opdstnjct的横梁结构拓扑优化分 析J.装备机械,2014(4)：71 -74.(贵任编辑张雅芳)行业内外“2018中国智能建筑品牌奖”揭晓台达揽获三项大奖一年一度的“中国智能建筑品牌奖”于2018年 12月6日在广州东方宾馆揭晓。台达凭借2018年 良好的市场表现，共揽获三项大奖。其中，台达旗下 两大楼控品牌 L0YTEC和Delta Controls双双获 得“2018年度十大楼宇自控品牌奖，彰显了台达在 楼宇自控方面的实力；同时台达也凭借良好的照明 成绩入选“2018年度十大智能照明奖”，成为此次年 度评选中的大赢家。台达-中达电通智能楼宇事业处总监顾益峰表 示,2018年台达楼宇事业高速发展，通过整合旗下子 品牌L0YTEC、Delta Controls、晶睿以及台达照明等 相关业务，搭建了以物联网为基础架构的智能建筑 管理平台，向客户提供智能暖通空调控制、照明控 制、区域自动化、基础设施集成、智能安全监控、门禁 控制、室内环境品质，和绿色建筑咨询服务等整合系 统整合解决方案和服务。此次两个品牌均入选“十 大楼宇自控品牌奖”，以及“智能照明奖”的颁布，是 业界对台达楼宇事业的肯定和褒奖。