車架設計
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-12
車架設計的視頻教程
車架設計的實例教程
三輪車的設計完成之前需要進行優化，確保滿足安全要求，但事實證明，三輪車的復雜結構為設計的優化帶來了一定的難度。
我常常會將三輪車與孩子們聯系在一起，把它們想象成色彩鮮艷的小玩具，與其實用價值比起來，它們的存在更像是為人們帶來一種享受。然而，三輪車確實也是一種可持續的客運方式，甚至可以用來運輸散裝貨物。
我們可以借助仿真來研究三輪車的結構并確保它能符合安全要求。為了檢測和解決三輪車設計中可能存在的薄弱區域，工程師們對車架的力學性能進行評估，從而在早期階段就能發現缺陷，在創建物理原型機之前優化三輪車的設計。
通過結構力學分析研究鋁制三輪車車架
研究團隊的模型為一個 6063-T83 鋁材制造的三輪車車架，其車把和中軸采用 4130 鋼。從下方示意圖可以看到，車架由標準的三輪車部件組成，包括后部的乘客區或載貨區。
三輪車部件（左）和網格（右）
為了分析這個設計，研究人員在幾何結構的不同區域施加了載荷。盡管他們只模擬了三輪車部件的車架，但還使用了其他零件（如立管、前叉、車把等）來定義負載條件，這些條件包括：
沖擊力（淡藍色）
車把上的推力和拉力（灰色和橙色）
中軸上的踩踏力（黃色）
騎行者的重力（藍色）
乘客的重力（綠色）
幾何結構上施加的各種載荷的位置
水平沖擊情況表示三輪車突然撞擊墻壁，并假設騎行者已撞離座位，但乘客還在車上。因此，這種情況只考慮沖擊力和乘客的重力。
工程師針對每一種載荷工況，對模型的應力分布和變形分布進行了簡單的評估，從而確定設計問題，開發出更安全的三輪車。
檢查三輪車車架設計的臨界區域
總的來說，仿真結果表明，在每一種載荷工況下，三輪車車架設計都會有一些區域容易受到抗拉屈服強度超過 214 MPa、疲勞極限超過 69 MPa 的應力作用。
展開 為了參加中國節能競技大賽，需要設計輕量化的車架。在充分考慮參賽這一特殊背
景后，制定了滿載彎曲工況下，基于剛度目標和體積分數約束的拓撲優化方案，借助
OptiStruct在初始階段進行概念設計，使結構在布局上最優。在拓撲優化結構的指導下進行
車架的詳細設計，并使用RADIOSS對車架進行有限元分析。此車架滿足了設計要求，不僅
減輕了車架自身重量，更小的尺寸還為車殼的減重提供了空間，整車重量較往屆相比大大下
降。
卞翔_基于OptiStruct的節能賽車車架設計.pdf
展開 某些前副車架的縱臂結構上會設計局部凹槽來誘導變形，使碰撞壓潰更充分，從而更好的保護乘員安全。
二、副車架優化設計方法
2.1 拓撲優化設計
在早期概念設計階段，首先需要確定前副車架的框架設計，比如整體的長寬高尺寸、加強板的個數及走向等。拓撲優化是一種常見的優化設計方法。根據周邊部件的包絡確定拓撲設計空間，設置相應目標和約束，通過材料的堆積程度來識別重要路徑，對薄弱區域進行針對性加強設計，對性能貢獻程度低的區域進行材料去除或厚度減薄設計，做到材料利用最大化，在結構性能提升的同時還能減輕重量。
2.2 多目標參數化優化設計
概念設計階段確定拓撲結構形式后，在詳細設計階段需要對結構斷面形式、材料厚度等進行進一步的細化設計。多目標參數化優化設計方法區別于傳統CAD-CAE設計思路，全參數化模型結合自動化優化工具，在有限的設計周期內能更快速地進行方案迭代，并能解決NVH、耐久等矛盾性能的多目標優化問題，有效避免了設計的盲目性。
三、性能分析
副車架的性能分析包括強度分析、模態分析、動剛度分析、疲勞分析等。
3.1 強度分析
強度分析采用慣性釋放法，考察工況根據公司內部規范進行，一般包括常規工況和極限工況。首先進行初始性能分析，然后根據受力狀態和分析結果進行篩選用于多學科優化分析中的分析工況（當然不進行工況篩選包絡，用全部工況用于多學科優化亦可以）。本例中為工況5、8用于多學科優化分析。
3.2 模態分析
副車架采用自由模態分析，校核第一階模態。
3.3 動剛度分析
本例中副車架共考察6個接附點動剛度。
展開 空間車架是支撐車輛車身及零部件的結構框架，因其輕量化設計能有效提升車速與加速性能，在賽車領域應用十分廣泛。
空間車架的設計與測試流程必須符合一系列嚴格的性能標準，其中包括多種翻滾測試及抗沖擊性能測試的變體要求。在每項測試中，空間車架需承受特定作用力，且不得出現失效情況或超出規定的撓度限值。為應對這些挑戰，并優化空間車架的剛度與整體性能，STARD 選用了Altair? HyperMesh? 軟件。
Altair解決方案
為在空間車架設計中實現性能與安全的平衡，STARD 充分借助了 HyperMesh 卓越的有限元分析（FEA）能力。項目啟動之初，團隊以某款既有車型未經優化的空間車架計算機輔助設計（CAD）模型為基礎，將其簡化為一維模型，作為設計工作的起點。
STARD 團隊首先針對高應力區域增加材料，對結構薄弱點進行加固 —— 這一舉措不僅有效規避了潛在失效風險，還提升了扭轉剛度這一核心性能指標。隨后，團隊應用優化技術，更合理地在車架上分配材料：既對需要加固的區域進行了強化，又剔除了不必要的重量。
之后，STARD 進一步優化了空間車架的管材直徑，在確保結構完整性的前提下，最大限度減輕了車架重量。同時，團隊在關鍵區域（尤其是涉及靜態載荷測試的部位）采用了高保真建模技術，并融入材料專屬參數，以精準模擬塑性變形過程。
在整個設計過程中，HyperMesh 為多步驟的設計探索流程提供了支持，允許模型在不同場景中復用。這一特性減少了大規模物理測試的需求，使團隊能夠同時評估多項性能指標，精簡驗證周期 —— 最終在滿足嚴苛安全標準的同時，大幅加速了整體設計進程。
展開 空間車架是支撐車輛車身及零部件的結構框架，因其輕量化設計能有效提升車速與加速性能，在賽車領域應用十分廣泛。
空間車架的設計與測試流程必須符合一系列嚴格的性能標準，其中包括多種翻滾測試及抗沖擊性能測試的變體要求。在每項測試中，空間車架需承受特定作用力，且不得出現失效情況或超出規定的撓度限值。為應對這些挑戰，并優化空間車架的剛度與整體性能，STARD 選用了Altair? HyperMesh? 軟件。
Altair解決方案
為在空間車架設計中實現性能與安全的平衡，STARD 充分借助了 HyperMesh 卓越的有限元分析（FEA）能力。項目啟動之初，團隊以某款既有車型未經優化的空間車架計算機輔助設計（CAD）模型為基礎，將其簡化為一維模型，作為設計工作的起點。
STARD 團隊首先針對高應力區域增加材料，對結構薄弱點進行加固 —— 這一舉措不僅有效規避了潛在失效風險，還提升了扭轉剛度這一核心性能指標。隨后，團隊應用優化技術，更合理地在車架上分配材料：既對需要加固的區域進行了強化，又剔除了不必要的重量。
之后，STARD 進一步優化了空間車架的管材直徑，在確保結構完整性的前提下，最大限度減輕了車架重量。同時，團隊在關鍵區域（尤其是涉及靜態載荷測試的部位）采用了高保真建模技術，并融入材料專屬參數，以精準模擬塑性變形過程。
在整個設計過程中，HyperMesh 為多步驟的設計探索流程提供了支持，允許模型在不同場景中復用。這一特性減少了大規模物理測試的需求，使團隊能夠同時評估多項性能指標，精簡驗證周期 —— 最終在滿足嚴苛安全標準的同時，大幅加速了整體設計進程。
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，具體如下：</p><p><br></p><ul><li>設計變量：車架支腿主體板厚(±30%)、車架寬度(±25mm)、車架高度(±25mm)</li><li>約束條件：支腿平均變形不低于原車、車架中心點變形不低于原車、車架扭轉角不低于原車；</li><li>目標函數：質量最小。
，具體如下：
設計變量：車架支腿主體板厚(±30%)、車架寬度(±25mm)、車架高度(±25mm)
約束條件：支腿平均變形不低于原車、車架中心點變形不低于原車、車架扭轉角不低于原車；
目標函數：質量最小。
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為在空間車架設計中實現性能與安全的平衡，STARD 充分借助了 HyperMesh 卓越的有限元分析（FEA）能力。項目啟動之初，團隊以某款既有車型未經優化的空間車架計算機輔助設計（CAD）模型為基礎，將其簡化為一維模型，作為設計工作的起點。
Altair解決方案
為在空間車架設計中實現性能與安全的平衡，STARD 充分借助了 HyperMesh 卓越的有限元分析（FEA）能力。項目啟動之初，團隊以某款既有車型未經優化的空間車架計算機輔助設計（CAD）模型為基礎，將其簡化為一維模型，作為設計工作的起點。
但是，這種方法忽略車身或車架剛度支撐影響，無法準確評估整車詳細模型動力系統解耦分布、各個懸置支撐方向的隔振率、車身或車架局部結構設計細節對關鍵頻率的影響等；因此，當開發過程中，當到達整車有限元模型階段時，需要將懸置系統開發與整車性能評估結合起來，詳細評估動力系統總成解耦率、隔振率等。
但是，這種方法忽略車身或車架剛度支撐影響，無法準確評估整車詳細模型動力系統解耦分布、各個懸置支撐方向的隔振率、車身或車架局部結構設計細節對關鍵頻率的影響等；因此，當開發過程中，當到達整車有限元模型階段時，需要將懸置系統開發與整車性能評估結合起來，詳細評估動力系統總成解耦率、隔振率等。
孫志遠等[9]用拓撲優化的方法對汽車前車架進行了輕量化設計，車架在結構優化后減輕了30.8%;Kiani等[10]用拓撲優化的方法對鎂材料的車身進行輕量化設計，仿真結果顯示了車身在滿足碰撞和振動要求下，質量大幅減少。
本文采用碳纖維復合材料代替傳統鋼制材料車門進行輕量化設計。
參考文獻
[1] 朱德綿，王耀斌.半掛車車架設計的結構分析[J].汽車技術，1999(7):11-12.
[2] 張繼君.基于MSC.NXNASTRAN的汽車車架結構的仿真研究[D].長春：吉林大學，2001.
[3] 徐達，蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京：北京理工大學出版社，1994.
文章來源：機車車輛工藝
摘 要：采用Nx Nastran軟件對公鐵兩用半掛車車架的初始方案進行有限元計算，并對超過許用應力的區域(結構)進行了原因分析，提出相應的優化改進措施，最終優化后的方案強度滿足相關標準要求，文章最后對公鐵兩用半掛車車架設計提出相應建議，為同類型的車架設計提供了參考。
