陈 峙,王 铁,张瑞亮,彭 婧,周 驰,申晋宪,刘宝乾

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.山西大运汽车制造有限公司,山西 运城 044099)

基于静动态特性的自卸车车架轻量化设计

陈 峙1,王 铁1,张瑞亮1,彭 婧1,周 驰1,申晋宪1,刘宝乾2

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.山西大运汽车制造有限公司,山西 运城 044099)

为实现自卸车车架的轻量化设计,通过有限元模态分析和试验模态分析相结合，建立有效的设计模型,以实车试验获取的动态响应特征和极限工况下的应力值作为优化约束条件,通过各部件的相对灵敏度分析确定优化变量。在保证改善车架结构静动态特性的前提下,对车架结构进行了尺寸优化,优化后车架静动态特性明显改善，并且总质量减轻了3.57%。结果表明，该方法具有良好的优化效果,可为自卸车底盘动态设计的改进提供一定的参考。

自卸车车架;模态分析;灵敏度;轻量化

随着不断上涨的燃油价格和汽车排放量的限制,迫切需要开发经济性能良好的车辆。显然，汽车轻量化设计是改善车辆燃油经济性,提高车辆动力性的有效手段[1]。据研究表明,汽车每减整车10%的质量,其燃油消耗将节约6%～8%[3]。车架作为汽车的主要总成之一,占有较大的质量比重。故在保证强度、刚度和性能的条件下，对车架进行轻量化设计，有重大的意义[3]。国内外研究人员分别用两种不同方式对车架轻量化设计展开了研究:一是采用高强度低密度材料取代现有材料的方式[4]；二是在保证现有结构静动态特性前提下,进行优化设计[5-9]。两种方式都取得了较好的效果。前者主要依赖于新材料的开发,成本和周期较长；后者相对现有产品的改善效果明显,但其优化设计过程中设计变量不好确定，且计算效率较低。

灵敏度分析是结构修改和优化设计的重要手段之一,可成倍地提高优化效率[10]。但传统的灵敏度分析所确定的设计变量往往有片面性,笔者采用相对灵敏度分析方法,基于结构的静动态特性分析的前提下确定设计变量,提高优化设计的有效性和准确性。

1 自卸车车架动态性能分析

1.1 车架有限元模型的建立

本文研究的TY型重型自卸车车架采用边梁式结构，纵梁与横梁采用铆钉连接。车架主要由两根纵梁、两根衬梁、6根横梁及相关连接板组成。纵梁高为300 mm,翼面为80 mm,衬梁为通衬梁,材料均采用WL510。整个车架采用前宽后窄的结构,前端宽1 000 mm,后端宽850 mm,轴距为3 800 mm。

整个车架共15个构件,在HyperMesh中对装配模型中的每个部件进行抽取中面、几何清理、划分网格等操作。

1.2 车架动态特性分析

振动模态是弹性结构的固有特性。通过模态分析方法可以搞清楚结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性,可预测结构在此频段内受外部或内部各种振源作用下实际振动响应。

模态参数可以由计算或试验分析取得,通过对比计算模态和试验模态结果，可验证有限元模型的准确性,保障了下一步基于有限元方法的结构优化设计的精度和有效性。

1.2.1 车架计算模态结果

结构固有振动特性分析是结构动力分析中的一个重要问题。结构固有振动特性只与结构自身的质量和刚度分布有关,它决定结构在动力载荷作用下的响应行为。由于主要分析车架的自由模态,所以在车架有限元模型上没有施加任何约束。通过定义模态分析的参数,在HyperWork中参照振型图,自由模态分析结果如表1所示。

1.2.2 车架试验模态结果

车架模态试验系统由激振系统、信号测量与采集系统和信号分析系统三部分组成,用力锤激励就能满足车架模态试验要求。为了获得全部模态参数及模态振型的信息,需要获得足够的传递函数。本试验中共布置92个测点,获得了276个传递函数,根据传递函数求出脉冲响应函数,然后利用特征系统实现算法(ERA)进行模态拟合。模态试验模型和布点位置如图1所示,根据振型情况收取了100 Hz以下的8阶低阶频率,并与计算有限元模态进行比较，结果如表1所示。

图1 车架模态试验模型

1.2.3 车架模态分析结果对比

表1所示为原车架的测试频率与有限元计算频率相对误差G及模态阶数与频率值,第一阶为一阶扭转,第二阶为一阶弯曲。由表1可知，试验频率与有限元分析频率的相对误差范围为0.61%～11%以内,由振型对比可判断出所建立的有限元模型满足计算要求,且精度较高,可应用该模型进行力学分析和优化设计。

1.2.4 TY01车架动态特性分析

根据模态分析结果可知，车架模态振型均较光滑、平稳,没有突变；低阶模态频率(一阶扭转和一阶弯曲)高于非簧载频率,低于发动机怠速频率,车辆非簧载频率一般为6～15 Hz。由于车架性能主要取决于低频段共振,因此对高频段共振不作具体分析。轻量化设计时,通常将一阶扭转和一阶弯曲频率作为约束,提高其频率值,避开激励频率。因此，分析车架在工作状态激励下的低阶共振频率是判断车架结构合理与否的重要依据。

车辆在行驶过程中，主要激励源为路面不平度激励和发动机运转激励。当激励频率与车架模态频率接近时,将发生共振,使车架的振动幅度显著增大,影响整车的性能,加速车架及各总成的疲劳破坏。笔者研究的TY01型工程专用自卸车发动机，采用直列六缸水冷四冲程柴油机,根据式1可计算怠速转速下发动机的振动频率

(1)

式中:z为发动机缸数，z=6;n为发动机怠速转速，n=700 r/min;τ为发动机冲程数,τ=4。计算可得，怠速频率为35 Hz,常用车速下转速取值为1 500～2 200 r/min,其频率范围为75～110 Hz。

专用自卸车频繁往返于作业工地与物料堆积场地之间,通常其间有路面状况较差的土石路面,工况较复杂。为了获取车辆运行状态下的动态特征,参照自由状态车架模态分析振型结果,在整车状态下的车架上布置了加速度传感器,实测了车架在工作状态下的动态响应。传感器布置如图2所示。

图2 动态响应测点布置

在典型路面作业的工程专用自卸车车架的动态响应是典型的非线性和非稳定的随机响应,噪声干扰大。因此,如何从高噪声的响应信号中提取车架的动态特征是研究的难点和重点。EMD算法是基于信号局部特征进行分解分析的,其基函数的选择来自于信号本身,无需定义滤波参数,具备自适应特征，能够很好地保留信号的非线性和非稳定性的特征[12]。因此，采用EMD算法能够获取车架在工作状态下的动态响应。

EMD分解IMF分量的滤波器组，构建最大的特点是其截止频率根据输入信号的变化而变化,具备自适应性，而有别于传统的固定频率的滤波器。若将信号分解残留项rn，作为第N个IMF分量,则带通滤波器可按下式表示:

(2)

结合车架模态试验和EMD信号处理方法，对采集的振动信号进行分解,经过处理后的信号能够达到分析要求。因车架的动态性能主要分析频段为0～100 Hz,因此原始信号分解后,选择该频率范围下的分量进行重构。测点1处的原始信号与重构信号如图3所示。

图3 测点1处原始信号与重构信号

信号滤除了噪声和非关注频段信号,信号曲线明显平滑,且保留了原信号关注频段的所有特征。通过分析该信号，能获取车架工作状态下的动态响应特征。

对处理后信号进行频谱分析,比较分析结果发现，测点1,2处的低频振动幅度最大,最能反映车架的低阶特性。其频谱如图4所示。

图4 测点1,2处频谱图

对比自由模态分析结果与整车测试分析结果,该车架在整车状态下,低阶频率有共振发生,可考虑优化其低阶频率值，改善车架动态特性。

2 车架多工况力学分析

2.1 车架工况分析

参照工程专用自卸车实际工作状况,在Hyper Works中分别对满载弯曲和扭转两种工况下的车架进行应力和应变分析。各零部件总成以集中载荷的方式加载到安装位置,车厢以及货物按40 t计算,材料参数如表2所示。

表2 车架材料参数

2.2 满载弯曲工况车架应力和应变分析结果

图5 满载弯曲工况车架弯曲应力云图

图6 满载弯曲工况车架应变位移图

此工况为车辆满载时，在平直良好路面上匀速行驶情况。此时所有车轮处于同一平面内,车架主要承受弯曲载荷,货物及车厢质量40 t,将其作为均布载荷施加到纵梁上,在Hyper Works中进行计算分析,得到弯曲应力和应变分析结果,如图5图6所示。由图可知,满载工况下车架弯曲举升油缸支座处,此时车架结构完全满足使用强度要求,且有较大的余量。该工况下最大挠度为8.158 mm,位置在第二横梁下翼面,满足最大变形不超10 mm的要求。

2.3 满载扭转工况车架应力和应变分析结果

扭转工况用于模拟自卸车在崎岖不平的路面上行驶的情况。取满载、右前轮悬空的极限状态。分析结果如图7图8所示。

图7 满载扭转工况车架应力云图

图8 满载扭转工况车架应变位移图

扭转工况下车架最大应力为356.2 MPa,出现在第二横梁上连接板处，此时车架安全系数仅为1.33属于危险工况，如图7所示。扭转工况下，其变形位移由图8可知,扭转工况下车架的z向最大挠度为21.56 mm,出现在右前板簧后支座纵梁处，该工况为弯扭极限工况,由结果判定车架变形严重,刚度不满足设计要求。

参照材料的屈服强度和变形设计要求,现有车架结构,各工况下应力和应变变化幅度较大,应该是由于结构不合理造成,因此对车架进行优化设计,在保证强度和刚度得到改善的前提下,实现车架结构的轻量化设计是十分有必要的。

3 自卸车车架灵敏度分析

灵敏度是所关注响应量对结构特性随参数xj的变化的梯度,即为车架质量或某一阶模态频率数值对某个构件厚数值变化的导数值。若函数ui可导,则其一阶灵敏度在连续系统中可表示为:

(3)

式中:ui为车架结构性能参数；xj为车架结构设计参数。利用HyperWorks中的Optistruct模块，分析了车架的17个部件(纵梁和衬梁左右对称为4个部件)厚度对车架结构性能的敏感性,计算出各设计变量对车架柔度系数的灵敏度SB,对车架一阶弯曲频率的灵敏度SF和对车架总质量的灵敏度SM。其灵敏度分析结果如表3所示。

其中柔度系数为车架变形位移值的倒数。SB/SM小于零时,增大构件的厚度会减小目标值；当SB/SM比值大于零时,说明减少板厚可带来柔度系数的减小,且随着比值的增大而减小得越快。灵敏度值的正负只表示目标值对设计变量的灵敏方向。当构件的灵敏度大于零时,目标值会随着构件厚度的增加而显著增大;当灵敏度值小于零时,减少板厚可带来柔度系数的增加,且随着比值的增大而增加得越快,计算结果如图9所示。当SF/SM比值大于零时,说明增加板厚可带来一阶模态频率的增加,且随着比值的增大而增加得越快;当比值小于零时,增加板厚会带来一阶模态频率的减小,且随着比值的增大而减小得越快。当该比值的绝对值较小时,说明该设计变量对质量的灵敏度大于对柔度系数或一阶模态频率的灵敏度,计算结果如图10所示。

表3 各部件灵敏度分析结果

图9 相对灵敏度SB/SM

图10 相对灵敏度SF/SM

4 轻量化设计

将有限元和试验分析的车身强度、刚度作为优化设计的约束条件,并参照多体动力学仿真选取约束频率,通过车架部件厚度进行灵敏度分析,选取作为优化变量的构件,然后以车架结构质量降低为目标,扭转、弯曲强度和刚度、低阶频率为约束条件,进行车架的轻量化设计。

在确定优化变量的过程中,根据相对灵敏度分析的结果,选择对车架柔度系数和一阶模态频率灵敏度小且对车架质量灵敏度大的设计变量,其厚度适当减小,即SB/SM和SF/SM绝对值较小的部件(第一横梁，第一横梁连接板，第三横梁，第四横梁，第五横梁);选择对车架柔度系数和一阶模态频率灵敏度大，且对车架质量灵敏度小的设计变量,其厚度适当增加,即SB/SM和SF/SM绝对值较大的部件(第二横梁上连接板，第三横梁上下连接板),以及占整个车架质量最大的纵梁和内衬梁为优化设计的变量。鉴于纵梁与衬梁从SF/SM比值上分析并不适合直接作为设计变量,可采取在减小纵梁尺寸实现轻量化的前提下增加衬梁尺寸来保证刚度和强度,并改善整体的动态特性。各部件厚度调整如表4所示。

经过调整后,优化结果如表5所示。优化结果如下所述:

1) 车架总质量优化后总体减少39 kg,实现了3.57%的减轻效果;

2) 弯曲应力最大值有所减小的同时,其应变位移值无明显增大;

3) 扭转应力最大值和扭转应变位移最大值皆得到改善;

4) 一阶弯曲和扭转频率得到提高,避开了路面共振频率。

表4 车架部分构件厚度优化及调整值 mm

表5 车架优化前后各主要参数对比

因此,通过该方法实现的优化设计,不仅取得了轻量化的效果,且车架的静动态特性都得到了改善和提高。

5 结论

基于有限元模态和试验模态分析方法,建立了重型自卸车车架有限元模型；并通过对比，验证了有限元模型的可信性,证明了车架构件灵敏度分析的有效性；确保了以车架质量为目标函数,弯曲和扭转强度和刚度为约束,构件厚度尺寸为设计变量的车架轻量化优化设计的可信性。本研究在保证重型自卸车车架静动态性能前提下,对车架进行了轻量化优化设计,取得了良好的效果,可为自卸车底盘动态设计的改进提供一定的参考。

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(编辑：庞富祥)

The Lightweight Design of a Dump Truck Frame based on Dynamic Responses and Static characteristic

CHEN Zhi1,WANG Tie1,ZHANG Ruiliang1,PENG Jing1，ZHOU Chi1,SHEN Jinxian1，LIU Baoqian2

(1.DepartmentofVehicleEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China；2.ShanxiDayunAutomobileManufactureCo.,LTD,Yuncheng044099，China)

To realize the lightweight design of dump truck frame via combination of finite modal analysis and test modal analysis,available design models were established,the dynamic response characteristics got from on-road vehicle test and stress values of frame under extreme working conditions were taken as the constraint condition of design optimization.The design variables were gained from relative sensitivity analysis of frame components. The size of frame structure was optimized while improved static and dynamic characteristics were eusured.The optimization result shows the static and dynamic characteristics of frame are improved significantly and the total weight of frame is reduced by 3.59%. These results prove that the optimization design method based on static and dynamic characteristic of structure has good optimization results and can give some reference to the improvement design of truck chassis.

truck frame;modal analysis;sensitivity;lightweight

1007-9432(2015)05-0577-06

2015-03-09

山西省高新技术产业化项目资助：工程专用自卸车开发(2011-2368)；山西省研究生优秀创新项目：低重心变截面工程专用自卸车车架技术研究(2012-302)

陈峙(1981-)，男,浙江兰溪人，博士生，主要从事车辆动态特性的研究,(Tel)18734866691

王铁，教授，主要从事车辆现代设计方法和机械传动研究，(E-mail)Wangtie57@163.com

U463.32

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.019