基于ANSYS Workbench車架的有限元分析和輕量化研究 摘要：本文基于ANSYSWorkbench仿真平臺(tái)，以云南紅塔金麒麟、玉麒麟系列卡車車架為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)車架的靜力學(xué)分析和輕量化研究，為車架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。關(guān)鍵詞：有限元建模；靜力學(xué)分析；輕量化設(shè)計(jì)隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，汽車的輕量化已成為汽車領(lǐng)域的重要開(kāi)展方向之一，而車架是汽車的重要部件之一，約占據(jù)著汽車重量的1/10，因此車架便成為汽車輕量化的首要目標(biāo)。1車架的有限元建模有限元建模是有限元分析過(guò)程中的第一個(gè)重要步驟，本文采用ansysWorkbench15.0版本，對(duì)云南紅塔金麒麟、玉麒麟系列卡車車架進(jìn)行有限元分析。車架采用的材料為Q345，該車架全長(zhǎng)6924mm，軸距3500mm，前端寬835mm，后端寬745mm，由左右2根縱梁和8根橫梁組成，是一個(gè)典型的邊梁式結(jié)構(gòu)。基于相關(guān)建模原那么和網(wǎng)格劃分方法，依次實(shí)現(xiàn)了：1車架幾何模型的建立-考慮到車架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了提高建模效率，本文選用建模功能強(qiáng)大的SolidWorks軟件建立幾何模型；2單元類型的選擇-車架縱、橫梁建立為面模型，吊耳結(jié)構(gòu)建立為實(shí)體模型，懸架系統(tǒng)采用彈簧單元來(lái)模擬，Workbench自動(dòng)識(shí)別后，分別采用SHELL181，SOLID186和COMBIN14三種單元進(jìn)行模擬；3連接關(guān)系的模擬-在Workbench中，縱梁和橫梁以及縱梁和吊耳均采用Bonded接觸關(guān)系，而懸架系統(tǒng)采用彈簧單元模擬板簧；4有限元網(wǎng)格的劃分-依據(jù)網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合計(jì)算精度和本錢(qián)，對(duì)車架進(jìn)行了合理的網(wǎng)格劃分。通過(guò)這一系列過(guò)程，建立了車架的有限元模型，為后文的分析打下了良好的根底。2車架的靜力學(xué)分析有限元法對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以得到車架在靜態(tài)載荷下的變形和應(yīng)力分布情況，并可預(yù)知車架的薄弱位置，為車架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)和參考。本文選擇具有代表性滿載彎曲工況，并采用質(zhì)量點(diǎn)的方式施加根本載荷，動(dòng)載系數(shù)取為2.5。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，得到根本載荷駕駛室和成員共530kg，動(dòng)力總成630kg，貨物4000kg，得出靜力分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)靜力分析結(jié)果可以看出，車架的強(qiáng)度是足夠的，并且強(qiáng)度余量很大。通過(guò)有限元分析的具體應(yīng)力云圖和位移圖得出，在縱梁和第四根橫梁的連接處應(yīng)力值也是較大的，而在其他地方的應(yīng)力值都普遍偏小，可以考慮對(duì)這些地方的板厚進(jìn)行適當(dāng)減少。車架的最大變形為4.58mm，相對(duì)于車架總長(zhǎng)，這種變形量是非常小的，說(shuō)明車架的剛度也是足夠的。3車架的輕量化本文所研究的車架模型，在設(shè)計(jì)初期，縱、橫梁的板厚均取為6.5mm，車架的總重量為468.62kg?；诖?，本文將采用滿載彎曲的計(jì)算工況，需要尋求最適宜的優(yōu)化方法，在滿足相關(guān)性能的前提下，使車架重量最輕。設(shè)計(jì)變量選為車架的板厚，即2根縱梁和8根橫梁的板厚，總共10個(gè)變量，板厚的變化范圍確定在310mm；選擇車架的最大應(yīng)力和最大變形作為狀態(tài)變量。結(jié)合滿載彎曲的靜力計(jì)算結(jié)果，考慮經(jīng)驗(yàn)值1.5的平安系數(shù)，最大應(yīng)力的上限設(shè)為230MPa，最大變形的上限設(shè)為5mm；選用Workbench中的響應(yīng)曲面優(yōu)化法，其中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型選擇CCD，響應(yīng)曲面類型選擇Kriging。由表2可以看出，在滿足車架剛度和強(qiáng)度要求的前提下，車架的材料得到了合理的分布。優(yōu)化后，車架的重量為390kg，相對(duì)于優(yōu)化前的重量468.62kg減輕了16.8%，優(yōu)化效果明顯。本次優(yōu)化的整個(gè)過(guò)程，可以為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種思路和方法，為深入進(jìn)行車架的輕量化奠定了根底。參考文獻(xiàn)：工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算有限元根底M.長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版，1990，78-103.【2】Ao.Kazuo，Niiyama.Analysisoftorsionalstiffnesssharerateoftruckframe.TechnicalPaperSeries，1991：18-21.【3】聶玉明.有限元法在半掛車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.公路交通科技，1990，71：49-53.【4】郝文化.ANSYS7.0實(shí)例分析與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2021.方法.北京：清華大學(xué)出版社，1985.