重型汽车车架结构抗疲劳设计

摘 要

　　重型载货汽车长期处于满载甚至超载运行中，工作条件恶劣，路况复杂多变，使得受力最为复杂的车架很容发生疲劳破坏，而车架作为重型汽车的关键零部件，其疲劳寿命性能的优劣将直接影响汽车的品质和安全性。因此，研究车架的疲劳寿命显得很有必要。

　　本文以某重型汽车的车架为研究对象，基于变密度法拓扑优化理论，对车架进行多目标拓扑优化设计。同时，对该车架进行抗疲劳轻量化研究。主要研究内容如下:

　　（1）建立了车架拓扑优化模型，根据重型汽车的配件质量以及满载质量来确定车架的受力情况，分析了车架在四种典型工况下的约束情况。本文采用折衷规划法把多工况刚度和低阶频率的多目标优化问题转化为单目标优化问题，通过层次分析法计算出了各个子目标的权重系数，基于变密度法以静态多工况下柔度最小和多阶低阶固有频率最大为目标，对车架进行多目标拓扑优化。

　　（2）根据拓扑优化结果以及参考同类型汽车车架的结构，建立了车架几何模型和有限元模型。对车架在四种典型工况，即弯曲工况、扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况下的静态响应进行了分析，得到了车架的应力分布和变形，并进行了强度校核。基于模态理论对车架进行模态分析，并提取前十阶模态频率以及振型。

　　（3）依据多体动力学原理，建立了该重型汽车动力学简化模型，以 C 级路面的时域激励信号为输入，获得了该车满载行驶下车架与悬架连接处的动态载荷时间历程。结合材料 S-N 曲线、载荷谱以及单位载荷下准静态应力结果，基于名义应力法，同时选用 Miner 线性累积损伤法则对车架进行了疲劳寿命分析。

　　（4）选取车架纵横梁和加强板厚度作为设计变量，以车架质量和疲劳寿命为优化目标，建立了车架结构的抗疲劳轻量化模型，利用多目标遗传算法（NSGA-II）对车架进行基于 Kriging 近似模型的抗疲劳轻量化设计。优化后，在车架疲劳寿命略微提高的情况下，质量减少了 4.4%，并且该车架仍然具有良好的静动态特性。

　　本论文较为全面的对重型汽车车架进行了抗疲劳轻量化研究，达到了预期效果，论文研究成果对重型汽车车架的实际研发具有一定的指导意义。

　　关键词：车架；多目标拓扑优化；疲劳寿命；轻量化

Abstract

　　Heavy truck is always being driven under full load even overload conditions. So on the complicated roads with adverse it is very easy to result in fatigue damage of the frame whose stress is the most complex on a truck. However the frame is a key component of a heavy truck, the merits and demerits of the fatigue life performance will directly affect the quality and safety of the heavy trucks.Therefore, the research on the fatigue characteristics of frame is particularly important.

　　This paper takes the frame of a heavy truck as the research object and multi-objective topology optimization design of the frame is conducted based on variable density topology optimization theory. At the same time, anti-fatigue lightweight of the frame is researched. The main contents are as follows: (1)The topology optimization model of the frame is established. According to the quality of the parts and the full load of the heavy truck, the force of the frame is determined, and the restraint of the frame under the four typical conditions is analyzed.This paper uses the compromise programming method to transform the multi-objective optimization problem of multi-conditions stiffness and low-order frequencies into single-objective optimization problem. The weight coefficients of each sub-goal are calculated by AHP. The multi-objective topology optimization design is conducted based on variable density method, taking minimum compliance under static multi-conditions and maximum multi-low-order natural frequencies as the goal.

　　(2)According to the topology optimization results and referring to the structure of the same type of heavy truck frame, the geometric model and finite element model of the frame are established. The static response of the frame is analyzed under the four typical conditions, which are bending condition, reversing condition, emergency braking condition and urgent turning condition. The stress distribution and deformation of the frame under the four typical conditions are obtained, and the strength of the frame is checked. The frame model analysis is conducted based on the modal theory, and the top ten order modal frequencies and corresponding model vibration mode are extracted.

　　(3)A simplified dynamic model of the heavy truck is established based on the multi-body dynamics principle. Choosing the time-domain excitation signal of the C-level road as input, the load time history from the position where the frame and suspension connect is extracted. According to the material S-N curve, the load spectrum and the quasi-static stress results under unit load, the fatigue life of the frame is analyzed based on the nominal stress method and Miner's linear cumulative damage method.

　　(4)Taking the frame cross-beam and stiffener thickness as the design variables,the anti-fatigue lightweight model of the frame structure is established with the frame quality and the fatigue life as the optimization objectives. The anti-fatigue lightweight design of the frame is reached based on Kriging approximation model by using the multi-objective genetic algorithm (NSGA-II). The weight of optimized frame is reduced by 4.4% with the frame fatigue life slightly increased, and the frame still has good static and dynamic behavior.

　　This paper completes a relatively comprehensive study on the anti-fatigue lightweight design of the heavy truck frame, and achieves the desired results.The research results of this paper have some significance on the actual development of the heavy truck frame.

　　Key Words: Frame; Multi-objective topology optimization; Fatigue life; Lightweight

　　重型汽车是指总质量大于等于 12 吨的载货汽车，主要运用在城市基础建设、公路、港口码头、露天矿山、环卫等大型施工场所[1]。随着国家对城镇化的加快发展，我国城市基础建设投入力度不断扩大，这些重大工程的建设需要大量的矿产资源，相应的也增加了对重型汽车的需求量。

　　随着我国市场经济的快速发展，国内的汽车市场也渐渐趋于成熟，企业之间的竞争也越来越激烈，汽车的研发速度也在加快。人们对汽车产品的性能提出了更高的要求，更加关注汽车的安全性、可靠性、舒适性以及经济性。各汽车企业必须加快研发速度，缩短研发周期，只有研发出性能好并且价格低的汽车产品，才能在激烈的竞争市场占有更多的份额。这就需要设计者找到一种合适的流程方法缩短产品的研发周期，降低成本，提高产品质量，进而提高产品竞争力，使其具有良好的经济效益。

　　随着能源危机以及环境问题的出现，为了健康、可持续发展我国汽车工业，开发油耗低、排放少的载货汽车成为重型汽车的发展趋势。汽车轻量化是汽车节能减排的重要方法之一，其目的是在保证汽车安全性能的前提下，尽量减轻汽车质量，进而可以增强汽车动力性，降低燃油消耗，减少污染排放。减轻载货汽车质量可以节约材料，减少成本，提高企业市场竞争力，增加企业的经济效益，在同等运输条件下，客户更青睐于质量轻和油耗低的汽车，轻量化更能满足客户的需求。据统计，汽车总质量降低 10%，燃油效率可以提高 6%-8%[2]。车架作为载货汽车的一个重要部件，连接和装配着汽车上各种零件，比如驾驶室、发动机、传动系统、悬架、油箱等部件，同时车架也承载着货物大部分的重量，以及零部件传递的载荷，因此其结构的合理性对整车性能具有较大的影响。在实际运行过程中，重型汽车经常满载行驶，使用条件恶劣，以及运行工况复杂，车架长时间承受着各种动态载荷，因而很容易发生疲劳破坏导致车辆无法正常运行。因此在车架设计的过程中，除了对其进行动静态分析计算其强度和刚度外，还需要计算其结构的疲劳可靠性，使其疲劳寿命达到要求。

　　传统重型汽车车架的设计方法一般采用“设计-试验-调整”的策略。设计人员根据车辆总质量、货物载重量以及车辆行驶工况，采用其工程经验来对车架进行设计，然后用试验来验证车架的各种性能。虽然试验方法真实可靠，但是必须在样车完成后进行，试验周期长，费用也高，并且也受众多的随机因素影响[3]。

　　旦发现问题，还需要进行重新设计，往往也只能依靠技术人员的经验来进行修改设计，缺乏理论指导，很难找到问题根源，并且增加了额外成本。一般传统方法设计出的车架，其强度和刚度都能够达到使用要求，但是质量较大，在某些局部区域可能造成材料的浪费，使车架的强度分布不均，行驶过程中可能会出现局部疲劳破坏[4]。

　　综上所述，本文以某重型汽车车架为研究对象，通过有限元分析软件，基于优化设计理论，对车架进行多目标拓扑优化以及抗疲劳轻量化设计。首先以多工况刚度和低阶固有频率为目标，对车架进行多目标拓扑优化得到结构和材料分布较为合理的车架结构。然后建立重型汽车整车简化动力学模型，获得在满载行驶工况下车架的载荷时间历程，对车架进行疲劳寿命分析。最后，对车架进行抗疲劳轻量化设计，在保证车架疲劳强度的基础上，进一步降低质量，进而降低成本。

　　本文提出对重型汽车车架抗疲劳轻量化方法，不仅能够为该车架的前期设计开发阶段提供较合理的材料分布，也为车架的结构优化设计提供指导依据，而且提供了一种适用于汽车各零部件，能够快速、方便地进行优化的设计方法。从而可以为汽车制造企业提高车辆性能，缩短开发周期，降低成本，提高其产品竞争力，具有重要意义。

　　重型汽车车架结构抗疲劳设计演示：

车架设计变量选取

前悬左侧支点单位载荷应力图

前悬右侧支点单位载荷应力图

中悬左侧支点单位载荷应力图

中悬右侧支点单位载荷应力图

车架疲劳寿命结果

图 4.21  图 4.22

目 录

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　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 绪 论
　　　　1.1 论文研究背景和意义
　　　　1.2 拓扑优化研究现状
　　　　1.3 疲劳寿命研究概况
　　　　1.4 抗疲劳轻量化研究现状
　　　　1.5 本文主要研究内容
　　第 2 章 车架多目标拓扑优化研究
　　　　2.1 建立车架拓扑优化模型
　　　　　　2.1.1 建立车架拓扑优化几何模型
　　　　　　2.1.2 划分拓扑优化设计空间
　　　　　　2.1.3 定义材料和属性
　　　　　　2.1.4 确定载荷边界条件
　　　　　　2.1.5 选取工况和约束条件
　　　　2.2 建立拓扑优化数学模型
　　　　　　2.2.1 单工况刚度优化数学模型
　　　　　　2.2.2 低阶动态固有频率拓扑优化数学模型
　　　　2.3 单工况下车架刚度拓扑优化
　　　　　　2.3.1 弯曲工况拓扑优化
　　　　　　2.3.2 扭转工况一拓扑优化
　　　　　　2.3.3 扭转工况二拓扑优化
　　　　　　2.3.4 扭转工况三拓扑优化
　　　　2.4 低阶固有频率拓扑优化
　　　　2.5 车架多目标拓扑优化设计
　　　　　　2.5.1 同时考虑刚度和频率要求的多目标拓扑优化设计
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 车架静动态性能分析
　　　　3.1 建立车架几何模型
　　　　　　3.1.1 确定纵梁结构
　　　　　　3.1.2 确定横梁结构
　　　　　　3.1.3 确定车架纵横梁的连接方式
　　　　3.2 建立车架有限元模型.
　　　　　　3.2.1 几何清理
　　　　　　3.2.2 边界条件模拟和网格划分
　　　　　　3.2.3 施加载荷
　　　　3.3 车架静态分析
　　　　　　3.3.1 弯曲工况分析
　　　　　　3.3.2 扭转工况分析
　　　　　　3.3.3 紧急制动工况分析
　　　　　　3.3.4 紧急转弯工况分析
　　　　3.4 车架模态分析
　　　　　　3.4.1 模态分析理论基础
　　　　　　3.4.2 车架模态分析及评价
　　　　3.5 本章小结34
　　第 4 章 车架疲劳寿命分析
　　　　4.1 疲劳寿命分析基本理论和
　　　　　　4.1.1 疲劳累积损伤理论
　　　　　　4.1.2 雨流计数法
　　　　　　4.1.3 材料的 S-N 曲线
　　　　　　4.1.4 疲劳寿命分析方法的选择
　　　　4.2 车架动态外载荷计算
　　　　　　4.2.1 时域路面激励仿真
　　　　　　4.2.2 车架动态载荷仿真
　　　　4.3 基于名义应力法的车架疲劳寿命分析
　　　　　　4.3.1 车架准静态应力分析
　　　　　　4.3.2 车架材料 S-N 曲线的获取
　　　　　　4.3.3 车架疲劳寿命分析结果
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 车架抗疲劳轻量化设计
　　　　5.1 实验设计与近似模型方法
　　　　　　5.1.1 拉丁超立方试验设计方法
　　　　　　5.1.2 Kriging 法
　　　　5.2 车架抗疲劳轻量化板厚设计
　　　　　　5.2.1 确定设计变量和区间变量
　　　　　　5.2.2 建立多目标优化数学模型
　　　　　　5.2.3 建立基于 Kriging 法的车架抗疲劳轻量化板厚设计模型
　　　　　　5.2.4 多目标遗传算法（NSGA-II）
　　　　　　5.2.5 车架抗疲劳轻量化板厚设计结果
　　　　5.3 车架抗疲劳轻量化设计结果验证
　　　　　　5.3.1 车架疲劳寿命分析结果
　　　　　　5.3.2 车架静力学分析
　　　　　　5.3.3 车架模态分析
　　　　5.4 本章小结
　　总结和展望
　　参考文献
　　致 谢

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