車架結(jié)構設計的案例
基于 solidThinking Inspire 的某強夯機車架結(jié)構設計
摘要:通過 solidThinking Inspire 優(yōu)化技術，完成某強夯機車架輕量化結(jié)構設計，并應用 HyperWorks 相關軟件對優(yōu)化結(jié)構進行校核計算，計算結(jié)果表明,solidThinking Inspire 能夠快速創(chuàng)建更輕更可靠的結(jié)構，實現(xiàn)仿真驅(qū)動設計。
關鍵詞: solidThinking Inspire 結(jié)構設計 HyperWorks 強夯 車架
1 引言
目前，隨著計算機計算性能的提升以及 CAE 工具的提升，特別是有限元計算技術、拓撲優(yōu)化技術、參數(shù)優(yōu)化技術、形狀優(yōu)化技術、疲勞壽命分析技術等商業(yè)軟件的開發(fā)和完善，使得 CAE 驅(qū)動設計成為現(xiàn)實。但是傳統(tǒng)的 CAE 軟件專業(yè)性強，通常需要專門的 CAE 分析人員進行這項工 作。solidThinking Inspire 的出現(xiàn)，改變了產(chǎn)品設計師和結(jié)構工程師傳統(tǒng)的設計方式，使得不是專業(yè)從事 CAE 分析的普通產(chǎn)品設計師也能夠快速創(chuàng)建更輕的結(jié)構，更好地了解材料的分布規(guī)律，并可輕松導入 CAD 工具。本文以公司戰(zhàn)略產(chǎn)品——大夯能液壓履帶式強夯機車架為對象，應用 solidThinking Inspire，嘗試 CAE 創(chuàng)新設計。得到的新結(jié)構強度在全工況下滿足要求，車架重量較經(jīng)驗設計輕 5.24 噸。
2 強夯車架結(jié)構設計
2.1 車架結(jié)構設計
該大夯能強夯機的整體結(jié)構如圖 2.1 所示，由工作裝置和車架組成，經(jīng)驗設計的車架為箱型結(jié)構，重量為 12.44 噸，如圖 2.2 所示。
展開 基于SFE全參數(shù)化副車架多學科優(yōu)化設計
某些前副車架的縱臂結(jié)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(yōu)化設計方法
2.1 拓撲優(yōu)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(shù)及走向等。拓撲優(yōu)化是一種常見的優(yōu)化設計方法。根據(jù)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(qū)域進行針對性加強設計，對性能貢獻程度低的區(qū)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(jié)構性能提升的同時還能減輕重量。
2.2 多目標參數(shù)化優(yōu)化設計
概念設計階段確定拓撲結(jié)構形式后，在詳細設計階段需要對結(jié)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(shù)化優(yōu)化設計方法區(qū)別于傳統(tǒng)CAD-CAE設計思路，全參數(shù)化模型結(jié)合自動化優(yōu)化工具，在有限的設計周期內(nèi)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(yōu)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(tài)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(jù)公司內(nèi)部規(guī)范進行，一般包括常規(guī)工況和極限工況。首先進行初始性能分析，然后根據(jù)受力狀態(tài)和分析結(jié)果進行篩選用于多學科優(yōu)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(yōu)化亦可以）。本例中為工況5、8用于多學科優(yōu)化分析。
3.2 模態(tài)分析
副車架采用自由模態(tài)分析，校核第一階模態(tài)。
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 基于Nx Nastran有限元分析的公鐵兩用半掛車車架結(jié)構優(yōu)化（下）
表3 公鐵兩用半掛車剛度計算匯總
表4 公鐵兩用半掛車強度計算匯總
2.5 建議
公鐵兩用半掛車的公路工況，因牽引噸位較小，采用傳統(tǒng)2根縱向大梁可承受牽引載荷作用；鐵路工況，因縱向載荷較大，為使載荷順利傳遞，傳統(tǒng)車架前后端均需要補強，車架前端因設有牽引銷板，可在其中央位置增大牽引縱梁截面，與牽引銷板組成箱型截面梁；車架后端因組裝零部件(配件)較多，空間有限，可在后端中央處增加工字型鋼梁與懸掛橫梁連接來傳遞縱向力。
3 結(jié)論
通過上述優(yōu)化措施，逐步減小應力梯度，使得該車架有了很好的性能，仿真技術的應用為新產(chǎn)品研發(fā)提供技術支撐，縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)成本。
參考文獻
[1] 朱德綿，王耀斌.半掛車車架設計的結(jié)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(jié)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(jié)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
展開 多學科優(yōu)化方法在副車架輕量化設計中的應用
在某副車架輕量化開發(fā)過程中，利用多學科優(yōu)化技術，在完成副車架的靜強度、模態(tài)和動剛度對板厚變化的敏感性分析的基礎上，進行結(jié)構的優(yōu)化設計，優(yōu)化后副車架重量由24.5 Kg降到22 Kg，減重8%，實現(xiàn)了副車架的輕量化設計。
前言：
副車架是當前主流轎車底盤的重要組成部分，其結(jié)構形式及剛度設計對提升整車耐久性、舒適性、操控性有很大影響，而且輕量化的副車架有利于改善整車性能。因此，副車架結(jié)構的優(yōu)化設計方法備受各主機廠關注。
近年來，關于多學科優(yōu)化技術的研究及應用越來越多，該技術的主要思想是在設計過程中，利用計算機技術來集成各個學科的模型和分析工具, 并通過有效的設計和優(yōu)化策略組織和管理設計過程，最終利用多學科相互作用產(chǎn)生的協(xié)調(diào)效應獲得最優(yōu)解①。本文將多學科優(yōu)化技術應用到某車型前副車架的輕量化設計中，不僅縮短設計周期,節(jié)約開發(fā)成本，而且對其它零部件的開發(fā)設計具有同樣的參考意義。
1、 有限元模型
為了提高應力計算精度，副車架的鈑金結(jié)構以及焊縫全部采用殼單元模擬，單元形狀主要為四邊形，三角形單元比例控制在5%以內(nèi)，整個模型的單元數(shù)量 節(jié)點數(shù)量 ，材料的非線性行為采用試驗測得的應力應變曲線表示。副車架的幾何數(shù)模和有限元模型如圖所示。
2、 工況定義和性能目標的確定
根據(jù)企業(yè)內(nèi)相關標準，強度的考察工況為經(jīng)典工況，包括顛簸、制動、轉(zhuǎn)向和加速。模態(tài)性能考察副車架的前兩階彎曲模態(tài)。動剛度考察項為控制臂及發(fā)動機后懸置的安裝點的平均動剛度。性能目標為滿足企業(yè)的相關標準要求。
展開 
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展開 Buggy車架設計
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車架類沖壓模具設計注意事項
為了能夠更好的適應市場的發(fā)展需求，本文以北京某生產(chǎn)公司為例介紹車架沖壓模具的設計。
車架縱梁壓型模具
車架縱梁是車架構件中的重要組成部分，其設計質(zhì)量直接對車架產(chǎn)品的整體質(zhì)量造成影響。加上，縱梁是車架構件中最長的一個工作件，其沖壓難度較大，相應增加了工作量。因此，對于車架縱梁的沖壓要求尤為嚴格。通過生產(chǎn)實踐證明，可采用鉆孔模板保證孔位的精準度。另一方面，由于縱梁的截面形狀屬于槽型雙直角彎曲成形，可采用自由彎曲成形、雙直角接觸彎曲成形。
制造工藝的分析
車架縱梁的設計一種分為左、右兩個，沒有變截面的縱梁可以直接通過一套模具分別沖壓成形，但是如果縱梁構件出現(xiàn)變截面的時候，需要進行較為系統(tǒng)的沖壓安排。首先是下圖顯示的就是變截面縱梁：
然后我們把模具一種分為前段、中段和后段三部分，其中前段和中段沖壓縱梁的右側(cè)，后段和中段沖壓縱梁的左側(cè)。選擇這樣的工作方式是因為可以很好的節(jié)省模具制造損耗的費用，提升沖壓的工作效率。經(jīng)過這樣的設計之后，我們得出了下圖的沖壓效果圖，A+B就是沖壓縱梁的右側(cè)畫面，B+C就是沖壓縱梁的左側(cè)畫面：
如果在工作的時候受到?jīng)_壓設備面積影響的時候，可以分別對左側(cè)變截面和右側(cè)變截面加裝不一樣的鑲板，目的是確保左側(cè)和右側(cè)的沖壓成形的效果。
展開 巴哈大賽賽車車架結(jié)構靜力+模態(tài)+諧響應分析 ￥150
本課程結(jié)合工程實際，使用workbench軟件解決巴哈大賽賽車車架結(jié)構靜力強度分析、模態(tài)分析和諧響應分析問題，并且詳細展示了整個分析的過程，本案例配有最終版的分析報告說明以及全套分析源文件。
對于使用workbench進行靜力分析、模態(tài)分析和諧響應分析的朋友，可以打開源文件查看所有設置步驟，描述比較詳盡，值得擁有。
加速過程中結(jié)構位移變化動畫演示.avi
HyperStudy在摩托車車架結(jié)構優(yōu)化中的應用
本文應用HyperMesh軟件建立了某款摩托車車架模態(tài)、剛度和強度的有限元分析模型，在此基礎上，以車架主要管件的壁厚和管徑為設計參數(shù)，以剛度、強度和重量為約束條件，采用HyperStudy結(jié)構優(yōu)化軟件對車架自由模態(tài)頻率進行靈敏度分析和結(jié)構優(yōu)化，從而找出對目標函數(shù)影響較大的部件并獲得更好的設計方案，為結(jié)構改進提供重要的理論依據(jù)。
陳亞娟_HyperStudy在摩托車車架結(jié)構優(yōu)化中的應用.pdf
基于Hypermesh的前副車架結(jié)構優(yōu)化
根據(jù)副車架的結(jié)構選取材料剛作為模型屬性，屈服極限420MPa，彈性模量210000Pa，泊松比0.3，密度7800kg·m-3。
二 副車架有限元分析
對轎車副車架進行模態(tài)分析，了解其應力情況和承載特性，在給定工況的情況下進行模態(tài)分析，提取副車架與車身的連接點和載荷激勵。然后根據(jù)副車架在整車上的實際約束狀態(tài)進行約束，副車架與車架有四個螺栓進行連接，約束其在X，Y，Z三個方向的平動自由度。然后對其進行模態(tài)計算，前副車架的安裝模態(tài)105.7HZ。根據(jù)相關文獻調(diào)查，在高速公路和一般城市的路況，路面激勵頻率大都在25Hz以下[2-3]。汽車在怠速、正常行駛和加速行駛等不同的路面工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速有所不同，發(fā)動機傳遞至副車架的激勵也不同。由發(fā)動機激振頻率公式為：
式中：z—發(fā)動機缸數(shù)；ω—發(fā)動機轉(zhuǎn)速;t—發(fā)動機沖程數(shù)。
對加速振動噪聲控制存在風險，如105Hz-3150r/min，128Hz-3840r/min，發(fā)動機的激振頻率與該副車架的低階頻率接近有可能會引起共振，從而影響汽車行駛平順性和副車架的使用壽命，所以有必要對副車架的低階頻率進行優(yōu)化改進提高其性能。
副車架安裝模態(tài)分析
副車架模態(tài)分析
三 結(jié)構的優(yōu)化設計
3.1 結(jié)構優(yōu)化依據(jù)
假設板的質(zhì)量為（1,1）階模態(tài)的等效質(zhì)量為
固有頻率表達為質(zhì)量和剛度的關系為
，將這兩個表達式代入式（1-1），根據(jù)模態(tài)頻率公式得到剛度的表達式為：
由式可知，鈑金件的剛度k與長度L的平方成反比，與厚度h的三次方成正比，與材料的楊氏模量成正比。要想提高板的剛度，必須減少板的長度和增加厚度，或者更換楊氏模量更高的材料。顯然，由于材料屬性和設計的限制，板的長度和厚度很難改變，材料很難更換。
展開 三輪車車架設計的力學性能分析
三輪車的設計完成之前需要進行優(yōu)化，確保滿足安全要求，但事實證明，三輪車的復雜結(jié)構為設計的優(yōu)化帶來了一定的難度。
我常常會將三輪車與孩子們聯(lián)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(xù)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(jié)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(qū)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(fā)現(xiàn)缺陷，在創(chuàng)建物理原型機之前優(yōu)化三輪車的設計。
通過結(jié)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(qū)或載貨區(qū)。
三輪車部件（左）和網(wǎng)格（右）
為了分析這個設計，研究人員在幾何結(jié)構的不同區(qū)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(jié)構上施加的各種載荷的位置
水平?jīng)_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(fā)出更安全的三輪車。
檢查三輪車車架設計的臨界區(qū)域
總的來說，仿真結(jié)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(qū)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 
基于_MSC.NASTRAN_的汽車車架結(jié)構的仿真研究
針對車架結(jié)構有限元分析中關鍵問題的研究，闡述了對車架結(jié)構進行有限元靜力分析和動力分析的規(guī)范。同時，規(guī)范化了使用MSC.PATRAN建立汽車車架結(jié)構桿系有限元模型的步驟，這些規(guī)范化的步驟可以縮短了車架結(jié)構有限元分析的時間，提高了研究工作效率，以達到快速分析汽車車架結(jié)構的剛度、強度和振動特性的目的。
基于_MSC.NASTRAN_的汽車車架結(jié)構的仿真研究.pdf
元王帶你看CAE仿真如何幫助優(yōu)化車架結(jié)構~
車架的結(jié)構強度是汽車行業(yè)在可靠性設計中所關心的最基本的問題，在產(chǎn)品設計階段，通過CAE模擬計算，就可以了解到車架在不同工況下，各方面的性能是否符合要求。
以元王分析的某款汽車支架為例，發(fā)現(xiàn)加載300N的力后，最大應力達到80Mpa，大于抗拉強度，支架會發(fā)生斷裂，斷裂位置為支架上部分與下部分連接處。
最大應力大于抗拉強度，支架就會發(fā)生破壞，通過對這些數(shù)據(jù)的分析，我們對這款車架的設計進行優(yōu)化，讓我們來看看優(yōu)化后的結(jié)果。加載300N，最大應力61.85Mpa，小于其抗拉強度80Mpa，破壞風險低，最大應力位于背部加強筋處。
CAE技術的應用使得汽車產(chǎn)品在設計階段就可以高效、快捷的預判可能存在的設計風險，并為設計改進提供數(shù)據(jù)支撐，為產(chǎn)品的可靠性保駕護航。當然，汽車產(chǎn)品設計除了必須考慮其設計可靠性外，成本因素也不能忽視。
元王曾為另一款車架做過仿真分析，原始設計在彎曲、下陷、舉升工況下，主要零部件的的最大應力都在許用應力范圍內(nèi)，產(chǎn)品安全。本著讓產(chǎn)品設計更優(yōu)的原則，我們基于分析結(jié)果提出了一些改進建議，比如某零件厚度減薄，中間加加強肋，兩版間隙略微增大等一系列改進方法。
設計改進后再次進行CAE分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構優(yōu)化后，車架的各零部件最大應力都在許用應力范圍內(nèi)，產(chǎn)品依然是安全的，優(yōu)化前后車架的模態(tài)變化較小，共振對優(yōu)化后的車架影響與優(yōu)化前相差很小。
展開 基于Nx Nastran有限元分析的公鐵兩用半掛車車架結(jié)構優(yōu)化（上）
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(qū)域(結(jié)構)進行了原因分析，提出相應的優(yōu)化改進措施，最終優(yōu)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。
關鍵詞：公鐵兩用半掛車車架;有限元分析;強度;優(yōu)化;
公鐵兩用貨車是公路掛車加裝鐵路專用鉸接式走行單元，通過取消鐵路平車車體，將半掛車直接與轉(zhuǎn)向架相連，即可在鐵路上運行；脫離連掛即成普通半掛汽車，可在公路上運行的多式聯(lián)運模式。公鐵兩用車因其具有自重系數(shù)低，轉(zhuǎn)運快捷、投資小、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢，作為半掛車多式聯(lián)運的一大分支，發(fā)展出多種形式，是理想的“門到門”多式聯(lián)運的工具，前景廣闊，開創(chuàng)了“門到門”多式聯(lián)運新紀元。中車眉山車輛有限公司研發(fā)了一種載重28 t的公鐵兩用半掛車，在半掛車車架設計過程中，基于Nx Nastran有限元仿真軟件對車架鋼結(jié)構進行了靜強度預測評估與結(jié)構優(yōu)化。
1 主要結(jié)構及計算工況
1.1 主要結(jié)構
公鐵兩用半掛車車架為全鋼焊接結(jié)構，主要板材采用T700高強度鋼。車架主要由前端梁、牽引縱梁、邊梁、大梁組成、橫梁、前端連接裝置、后端梁等組成，如圖1所示。
圖1 半掛車車架組成(初始方案)示意圖
1.2 計算工況
公鐵兩用半掛車公路運輸時，汽車行駛的典型工況是在高速道路、強扭轉(zhuǎn)道路、一般道路和彎曲道路上的彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動和急轉(zhuǎn)彎等4種工況。對于車架有限元靜態(tài)分析來說，通常情況下靜強度只分析彎曲、扭轉(zhuǎn)2種工況[1]。另外，車架應具有足夠的抗彎剛度，通過車架的撓跨比考核。
剛度工況：在靜載和勻速行駛狀態(tài)下，零部件均依照安裝位置進行加載，在此情況下考核車架彎曲變形。
展開 solidThinking 在自行車車架設計中的應用
該求解器在 Inspire 中采用變密度法的優(yōu)化方法，以設計域單元密度作為設計變量，全局質(zhì)量分數(shù)和結(jié)構應變能（柔度）作為結(jié)構響應，質(zhì)量分數(shù)作為約束條件，目標函數(shù)為最小結(jié)構應變能 [2]。然而作為設計師無需了解這些復雜的方法，僅需要選擇質(zhì)量約束就可以完成整個分析。當然，軟件也提供了最小尺寸，振動目標等參數(shù)供高級設計師使用[3]。
3.4 計算結(jié)果
提交計算后，可以得到的最終結(jié)果。為了得到較好的結(jié)果，可以嘗試更改不同的質(zhì)量約束或最小尺寸等參數(shù)，多次計算后選擇最好的結(jié)果如圖 3-5 所示。
圖 3-5 優(yōu)化結(jié)果
首先，通過計算結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)自行車相比，通過優(yōu)化技術設計出的車架同樣呈倒三角形結(jié)構，這說明目前的自行車車架基本符合其工況力學特點。第二，由于座椅承 擔載荷兩個乘員的大部分重量，所以在其底部呈現(xiàn)了一定的材料堆積，這說明在車架后部時應該增加梁的截面積或者增加梁的數(shù)量。第三，連接前后輪的主梁并沒有與傳統(tǒng)自行車的轉(zhuǎn)向柱相連，這將會導致轉(zhuǎn)向困難，在具體設計時應該考慮轉(zhuǎn)向要求。
將最終的結(jié)果通過 stl 文件導出到 CAD 軟件中進行重新設計，根據(jù)計算出的最優(yōu)拓撲路徑，考慮自行車車架制造工藝，采用圓截面鋼管進行搭建，如圖 3-6 所示。
圖 3-6 重建的幾何模型
在這個設計中，出于成本控制的考慮，將所有梁設計為統(tǒng)一規(guī)格型號。
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