隨著物流業的快速發展,牽引車也向著高速重載方向發展,由于車輛工作的多工況,車輛結構受力復雜,因此經常在使用過程中發生車架結構早期斷裂破壞。這種現象已經成為困擾汽車設計部門的難題,并造成了明顯的經濟損失。
目前在車架強度研究方面普遍采用的方法為試驗方法和計算機仿真方法。試驗方法是一種直接而客觀的設計與驗證方法,結果最有說服力,但是試驗周期較長,費用昂貴且重復性差,而且也不可能采集到足夠多的數據,特別是用于產品改進所需的詳細數據資料;計算機仿真方法具有費用低廉、周期較短、可重復性、結果信息全面等優點。通過仿真分析,可以在短期內,可以完成多次改進分析,并以此作為產品改進的依據。從模擬仿真和試驗對產品安全進行驗證,能確保分析結果的可信度和結構的可靠性。
本文利用有限元軟件HyperMesh建立某牽引車車架有限元模型,利用Altair OptiStruct 進行靜強度計算模擬,并與實際情況進行對比,對車架橫梁處存在問題進行DOE優化設計來提高橫梁的強度。

本文中某牽引車車架有限元模型,網格單元平均尺寸=10mm,焊接熔核直徑=6mm,焊點由面到面連接方式生成,板簧使用Spring單元和RBE2模擬,安裝在車架左右兩側的油箱和電瓶箱以及駕駛室和發動機本身結構的形狀對車架的有限元強度和剛度分析影響很小;但是其本身的質量很大,對車架結構的強度和剛度影響很大,根據工程經驗,選擇用質量點單元mass來模擬簡化油箱和電瓶箱的結構,這樣可以減少建模時間,提高工作效率,車架有限元模型如圖1所示,車架的材料數據如表1所示。

圖1 車架有限元模型

表1 牽引車車架有限元模型材料參數屬性

在進行靜強度分析時,我們分別選擇對橫梁影響比較大的轉向靜態受力工況、扭轉靜態受力工況這兩個典型工況為研究對象。
2.1 轉向靜態受力工況
車架轉向受力載荷施加圖如圖2所示,應力云圖如圖3所示。

圖2 車架轉向受力工況載荷圖

在應力云圖3中我們可以看出,應力比較大的位置1處為車架橫梁,也是車架真實斷裂位置(車架真實斷裂圖如圖4所示),此處的應力屬于應力分布的高應力區域,根據斷裂圖片對比,該工況與真實情況一致。此處結構需要進行優化改進。位置2、3處應力值比較大,此處結構超過屈服極限,應當加以關注,進行適當的結構修改減少局部的應力集中。

圖3 車架轉向受力工況應力分布云圖

圖4 車架橫梁實際破壞圖

2.2 扭轉靜態受力工況

車架轉向受力載荷施加圖如圖5所示,應力云圖如圖6所示。

圖5 車架扭轉受力工況載荷圖

從應力分布云圖6中我們發現,位置1處為橫梁最大應力值,大于材料的屈服極限,也是真實的破壞位置,應進行優化改善。位置2處為橫梁應力值大于材料的屈服極限,應高度重視,極有可能產生疲勞破壞。位置3,4處應力值比較高,但是沒有超過材料屈服極限,所以不會對該零件造成強度破壞。

圖6 車架扭轉受力工況應力分布云圖

DOE-Design of experiment(試驗設計)主要應用在試驗的合理安排和試驗數據的處理上,利用數理統計學的基本知識,討論如何合理地安排試驗、取得數據,然后進行綜合科學分析,從而盡快獲得最優組合方案。
針對本車架橫梁處強度較差的特點,本文運用OptiStruct軟件對其進行了DOE優化設計,希望通過改變橫梁及其加強件的厚度值,來增強部件的強度,從而達到提高整個車架的承載能力的目的,我們在橫梁與車架縱梁連接處添加了兩塊加強板,添加加強板前后狀態如圖7、圖8所示,加強板與橫梁體鉚接。

圖7 橫梁原始狀態

圖8 橫梁添加加強板狀態

3.1 DOE數據分析

DOE設計中,因素水平數的選擇十分關鍵,因為如果因素水平選取過多,將會使試驗次數急劇增加,既不經濟,又費時間,如果選取過少,又有可能造成無法選到主要因素的后果。我們選擇對橫梁影響比較大的典型工況扭轉工況為研究對象,分別選用橫梁厚度與加強板厚度作為試驗設計的2個因素,進行交叉試驗,試驗次數為31次,車架的安全系數有較大的差異,如表2所示。
我們也可以從圖9、圖10中可以更加直觀的看出橫梁厚度、加強板厚度和安全系數之間的關系。

表2 扭轉工況下的DOE分析數據

圖9 扭轉工況下DOE響應面圖

圖10 扭轉工況下DOE等高線圖

通過DOE分析,我們可以更加全面地得到不同橫梁厚度和加強板厚度之間組合橫梁總成的車架安全系數。綜合考慮實際工藝、模具及成本等方面的因素,原始結構狀態為表2中的第1組組合,在實際生產中選擇表2中第16組組合,以此進行結構的改進。

3.2 橫梁結構優化前后模態對比

我們將橫梁原始結構的自由模態與改進后橫梁的自由模態的第一階頻率進行對比,原始結構與改進結構自由模態的第一階頻率分別如圖11、圖12。

圖11 原始結構第一階頻率

圖12 改進后結構的第一階頻率

由圖11、圖12可以看出自由模態幅頻特性:
原始結構:最大幅值:38.53;第一階頻率:80.7Hz;
改進后結構:最大幅值:28.89;第一階頻率:87.06Hz;
最大幅值降低:38.53-28.89=9.64;
基頻提高:87.06-80.7=6.36(Hz)。
3.3 橫梁結構優化前后應力對比
本文仍然選擇對橫梁影響比較大的轉向受力工況和扭轉受力工況為研究對象。
3.3.1 轉向靜態受力工況
橫梁結構改進前后在轉向靜態受力工況時的應力云圖分別如圖13、圖14所示。
由圖13、圖14可以看出最大應力幅值(安全系數):

圖13 原始結構應力云圖

圖14 改進后結構的應力云圖

改善前狀態:585MPa(安全系數0.61)
改善后狀態:350MPa(安全系數1.02)
應力降低:585-350=235(MPa)
安全系數提高:(1.02-0.61)/1.02×100%=40.2%

3.3.2 扭轉受力工況

橫梁結構改進前后在扭轉態受力工況時的應力云圖分別如圖15、圖16所示。

圖15 原始結構應力云圖

圖16 改進后結構的應力云圖

由圖15、圖16可以看出最大應力幅值(安全系數):
改善前狀態:549MPa(安全系數0.65);
改善后狀態:342MPa(安全系數1.04); 
應力降低:549-342=207(MPa);
安全系數提高:(1.04-0.65)/1.04×100%=37.5%。

本文通過CAE軟件HyperMesh建立了某牽引車的車架模型,利用Altair OptiStruct對其進行了靜強度計算,得到了車架模態、應力等數值。本文采用DOE優化設計方法對車架橫梁進行優化設計,優化結果表明優化方案相比初始設計方案明顯降低了車車架橫梁的應力,增強了車架強度,提高了車輛的承載能力,基于DOE的車架優化分析具有很強的工程實用性,對于車架結構變更設計具有巨大的指導意義。