本文首先论述了国内外车辆结构轻量化研究的现状,分析了车辆结构轻量化技术的发展趋势,探讨了国内研究的不足和差距,提出了应用有限元技术和现代优化方法对车架结构进行分析和优化,以达到改进结构、降低自重的目的。 接下来结合课题研究需要分析了某重型专用车的结构特点,建立了车架的全板壳有限元计算模型以及能正确反映力学特征和运动关系的平衡悬架有限元计算模型。在对车架进行全面分析之前,按照委托方的要求对平衡悬架的使用性能,包括平衡性和通过性,进行了校核。其中,对悬架的运动分析,提出了能够完全考虑车架和悬架弹性变形的校核方法,与传统的图解法相比,此方法虽然复杂性相对较高,但结果更加可靠和准确。 根据该车的实际使用状况,确定多个计算工况对车架进行了有限元计算分析,求得了各工况下车架的应力水平、应力分布和变形情况,对车架的承载能力给出了定量的分析,为车架的设计和改进提供了参考和依据,对提高企业的设计水平提供了方法,也为同类产品的设计提供了借鉴。 针对车架结构某些局部较严重的应力集中现象,对局部进行了改进设计,有效降低了局部的高应力,使局部结构更为合理,同时,局部结构的改进对车架整体不产生明显影响。 采用有限元法结合数学规划法对车架进行了轻量化结构优化设计。首先在不改变车架拓扑结构的基础上,以强度条件为约束,对车架纵梁截面尺寸进行了优化,优化完成后在对车架的刚度进行校核。优化结果表明,在保持与原车架基本相同的强度和刚度水平下,降低车架自重约12.94%,取得了不错的轻量化效果。 针对车架在弯扭工况下,扭转变形前后不协调的现象,在保证车架自重不增加的条件下,对横梁的安装位置进行了拓扑优化,使得车架前部的扭转刚度大幅提高,车架整体的扭转变形趋于协调,同时由于扭转变形趋于协调,使得车架的应力水平也有一定程度的降低。拓扑优化提供了进一步降低车架自重的空间,在车架最优拓扑结构的基础上再对纵梁截面尺寸进行优化,最终得到的车架结构在满足强度刚度要求的前提下,材料利用率得到了提高,与原结构相比,质量减少20.23%,取得了很好的轻量化效果。 本文的研究不仅为车架和悬架的一般设计提供了参考和依据,解决了企业的实际问题,同时对车架的优化设计提供了新的思路和可行的具体路线,为同类研究提供了良好的借鉴。