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摘要
以某款现生产的卡车车架为研究对象，在保证减重后的车架性能不会有大变化的前提下。通过仿真技术对其进行减重设计。本文详细描述了各种减重方案在车架上的实施效果，为今后的车架降成本工作提供了参考。
关键词：CAE ;汽车；车架；优化；降成本
随着商用车市场竞争的日趋激烈，如何改进产品的质量，如何降低产品的生产成本，成了所有汽车生产企业考虑最多的问题。汽车产品技术降成本是通过分析产品在设计、制造、使用、维护和回收等各环节的成本组成情况，改进设计方案或优化加工工艺，从而达到技术降成本的目的。但是使用传统的样车试验方法来验证降成本设计方案，不仅成本大而且周期很长。然而，采用CAE技术分析各种减重方案对车架结构强度的影响，具有周期短，方案灵活和成本低等优势，越来越广泛地应用于汽车产品设计中。
本文采用有限元仿真软件HyperWorks，以某款现生产卡车车架为研究对象，对十一种减重方案进行对比分析，优化和评估各降成本设计方案。
有限元分析的精度主要取决于有限元计算模型，模型必须如实反映车架结构的力学特性，所以模型化的基本原则是在硬件可以承受的情况下，尽量细分网格，使有限元模型尽量与车架几何模型一致。车架原设计方案的有限元模型如图1所示。
图 1 车架原设计方案的有限元模型
为了使仿真结果更加准确，我们考虑了作用于车架上的所有载荷（如表1所示）。车架自重由软件在输入材料密度后自动计算得出，车架材料为DL510，强度极限为590MPa。
表1 作用于车架上的主要载荷
| 主要总成 | 质量(Kg) | 质心坐标（Z X Y） | 方向 | 备注 |
| 蓄电池 | 145 | （1630，-730，-200） | 垂直向下 | |
| 储气筒1（后贮） | 50+10 | （1150， 800，-250） | 垂直向下 | |
| 储气筒2（前贮） | 20 | (2450,-720,-200) | 垂直向下 | |
| 储气筒3（辅助） | 16 | (5300,0,-180) | 垂直向下 | |
| 油箱（满油） | 400 | （2050，800，-300） | 垂直向下 | |
| 发动机带变速箱 | 1200 | （400，0，-50） | 垂直向下 | |
| 驾驶室 | 1100 | 垂直向下 | ||
| 牵引总质量 | 80000 | 在X=3300~4300之间均布 | ||
| 鞍载质量 | 2200 | 垂直向下 | 鞍座 |
实践表明，弯曲工况和弯扭组合工况是车架的主要受力和变形模式，弯扭组合工况又
是其中最为恶劣的工况，为此本文主要考核弯扭组合工况下的应力和变形情况，以确保车架的强度和刚度满足设计要求。
弯曲工况：模拟汽车满载行驶在平坦路面上的工况，约束前后车轮的竖直方向位移。
弯扭组合工况：模拟汽车满载通过凹凸不平路面时的弯扭强度，它反映车架结构的实际最大静态强度问题。此时，左前轮上凸台（高度60mm），右前轮下凹坑（深度60mm），约束后车轮的竖直方向位移。
另外，车架的振动是造成疲劳破坏的主要原因之一，而且现在乘坐舒适性的要求也越
来越高，所以有必要对车架结构进行模态分析。模态分析也能在一定程度上反映了车架结构刚度的分布情况，本文分析了车架的前5阶固有模态。
综合考虑了各种可用的减重方案，共有如下十一种优化方案：
优化方案一：在原方案基础上去掉副梁。
优化方案二：在原方案基础上去掉副梁，纵梁加厚到10mm。
优化方案三：在原方案基础上将三角板减小减窄。
优化方案四：在原方案基础上将三角板减小减窄，加垫块。
优化方案五：在原方案基础上取消副梁，三角板减小减窄，加垫块，纵梁加厚到10mm。
优化方案六：在原方案基础上取消副梁，三角板减小减窄，加垫块，纵梁厚度不变。
优化方案七：在原方案基础上三角板减小减窄，加垫块，留部分副梁。
优化方案八：在原方案基础上三角板减小减窄，三角板局部加强。
优化方案九：在原方案基础上三角板减小减窄，加垫块，留部分副梁，三角板局部加强。
优化方案十：在原方案基础上三角板减小减窄，留部分副梁，三角板局部加强。
优化方案十一：在原方案基础上三角板减小减窄，三角板局部加强，纵梁折弯部分加部分副梁加强，后桥处纵梁下翼面加加强板。
由于各种工况下的应力云图相似，本文在此仅列出其中一种方案的应力分布图，图2至图3是原车架重点部位的Von Mises应力云图。各方案的应力结果如表2所示。
图2 原车架角板处Von Mises应力云图 单位：MPa
图3 原车架平衡悬架横梁处Von Mises应力云图 单位：MPa
表2 CAE分析结果
| 方 案 | 车架变形（mm） | 角板Von Mises应力（MPa） | 平衡悬架横梁Von Mises应力（MPa） | 重 量 （Kg） | 减重效果 （％） |
| 原 车 架 | 105 | 586 | 536 | 1801 | 0.0 |
| 优化方案一 | 113 | 620 | 548 | 1623 | 9.88％ |
| 优化方案二 | 105 | 576 | 509 | 1716 | 4.72％ |
| 优化方案三 | 105 | 609 | 580 | 1715 | 4.78％ |
| 优化方案四 | 105 | 636 | 508 | 1722 | 4.39％ |
| 优化方案五 | 107 | 621 | 491 | 1636 | 9.16％ |
| 优化方案六 | 115 | 678 | 531 | 1543 | 14.3％ |
| 优化方案七 | 103 | 630 | 528 | 1647 | 8.55％ |
| 优化方案八 | 116 | 626 | 551 | 1543 | 14.3％ |
| 优化方案九 | 103 | 588 | 492 | 1652 | 8.27％ |
| 优化方案十 | 103 | 564 | 540 | 1647 | 8.55％ |
| 优化方案十一 | 104 | 617 | 578 | 1583 | 12.1％ |
表2中的方案九，三角板处的应力与原车架相同，但是平衡悬架横梁上的应力比原车架降低8.2％；因此上述各方案中，最优方案是方案九。除了方案九以外，方案二和方案十的三角板和平衡悬架横梁上的应力也都比原车架小，满足设计要求，但是减重效果要比方案九差，因此，方案二和方案十是本文中的较优设计方案。
将方案九的设计思路应用到新设计的车架上（即T08车架），其前5阶模态如表3所示。
表3 新型减重车的前5阶模态计算结果
| 模 态 数 | 一 阶 | 二 阶 | 三 阶 | 四 阶 | 五 阶 |
| 振 型 | 纵 扭 | 横 弯 | 局 部 | 横 弯 | 弯扭组合 |
| 频率（Hz） | 9.5508 | 13.6064 | 24.4130 | 28.4795 | 30.5113 |
通过前面分析，可得出如下结论：
1） 经过减重后，新车的整车刚度较强，强度分布比原车型更合理，同时重量比原车减少149Kg，减重达8.27％。
2） 通过以上对各种减重方案的分析，为今后减重车的设计提供了方向和指导。设计人员可以根据以上的减重效果和实际需要所达成的减重目标，合理选择减重方案，以达到优化设计的目的。
3） T08车架已经投产，经过用户使用试验，完全符合要求。
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