基于動(dòng)力學(xué)分析的車(chē)架輕量化研究現(xiàn)狀

段本明，張洪信，張魯鄒，史津竹，王名揚(yáng)

(青島大學(xué)車(chē)輛工程系，山東青島 266071)

基于動(dòng)力學(xué)分析的車(chē)架輕量化研究現(xiàn)狀

段本明，張洪信，張魯鄒，史津竹，王名揚(yáng)

(青島大學(xué)車(chē)輛工程系，山東青島 266071)

對(duì)國(guó)內(nèi)外車(chē)架的動(dòng)力學(xué)分析及其輕量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了探討，并對(duì)現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題和不足之處進(jìn)行了闡述。為真實(shí)準(zhǔn)確地獲得車(chē)架動(dòng)態(tài)載荷，并基于此進(jìn)行車(chē)架輕量化研究，首次提出了基于剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真的方法來(lái)對(duì)車(chē)架輕量化進(jìn)行研究，即通過(guò)車(chē)架的動(dòng)力學(xué)分析得到車(chē)架真實(shí)動(dòng)態(tài)載荷。通過(guò)此種方法更能準(zhǔn)確描述車(chē)架實(shí)際的工況，輕量化結(jié)果可信度更高。

車(chē)架;輕量化;動(dòng)態(tài)載荷;剛?cè)狁詈?/p>

目前，車(chē)架的輕量化研究已經(jīng)非常成熟，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，已經(jīng)從傳統(tǒng)的模仿和依靠經(jīng)驗(yàn)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榛谟邢拊恼蚍治鲈O(shè)計(jì)。

在車(chē)架的輕量化研究中，真實(shí)而準(zhǔn)確地施加車(chē)架載荷是檢驗(yàn)輕量化研究可靠與否的關(guān)鍵步驟，目前單純施加靜載荷或者用動(dòng)載荷系數(shù)來(lái)表示車(chē)架所受的動(dòng)態(tài)載荷的研究方法，并不能準(zhǔn)確描述車(chē)架的實(shí)際受力工況，更不能描述車(chē)架剛性運(yùn)動(dòng)與自身變形之間的相互影響的關(guān)系。

1 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

1.1 車(chē)架動(dòng)力學(xué)分析研究現(xiàn)狀

1.1.1 有限元分析在車(chē)架動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是CAE分析的主要內(nèi)容之一，它不同于靜力學(xué)分析，常用來(lái)確定時(shí)變載荷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時(shí)還要考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用［1］。

目前，有限元技術(shù)在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［2－4］。例如:劉大維［5］等建立了以板殼單元為基本單元的半掛牽引車(chē)車(chē)架有限元分析模型，應(yīng)用NASTRAN有限元分析軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行了模態(tài)分析。計(jì)算了該車(chē)架在自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，并分析了其振動(dòng)特性和對(duì)整車(chē)性能的影響。鐘兵［6］為解決某汽車(chē)車(chē)架低頻段振動(dòng)較強(qiáng)的問(wèn)題，應(yīng)用Hyper Works有限元分析軟件，對(duì)其模態(tài)和頻率響應(yīng)進(jìn)行了分析，據(jù)此對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了較好的效果。李源源［7］以某SUV車(chē)架為研究對(duì)象，建立了車(chē)架的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析。馬宇等［8］通過(guò)ANSYS的專用接口將客車(chē)車(chē)架三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，以生成有限元分析模型，并對(duì)車(chē)架進(jìn)行了模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析。張清等［9］利用有限元分析軟件建立了某摩托車(chē)車(chē)架動(dòng)態(tài)分析模型，介紹了實(shí)際道路載荷的采集，利用MTS公司道路模擬試驗(yàn)機(jī)和遠(yuǎn)程參數(shù)控制技術(shù)模擬迭代出接近實(shí)際響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行了仿真，得到與道路模擬實(shí)驗(yàn)較為一致的結(jié)果。

1.1.2 多剛體動(dòng)力學(xué)在車(chē)輛研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

多剛體動(dòng)力學(xué)建立在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上，對(duì)多剛體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。目前，多剛體動(dòng)力學(xué)在車(chē)輛研究中的應(yīng)用非常廣泛和深入:商曦文等［10］利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件建立了包括雙橫臂式前懸架、單斜臂式后懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，開(kāi)展了在B級(jí)路面上行駛的仿真試驗(yàn)。張?jiān)魄宓龋?1］利用多體動(dòng)力學(xué)方法建立了某轎車(chē)的整車(chē)非線性多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)所建模型進(jìn)行了多種試驗(yàn)驗(yàn)證，并分析了該樣車(chē)的操縱穩(wěn)定性等相關(guān)特性。陳黎卿等［12］以某皮卡車(chē)為研究對(duì)象，利用ADAMS/VIEW軟件建立了車(chē)輛多剛體動(dòng)力學(xué)模型，并以車(chē)身垂直加速度和角加速度為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化仿真，且基于ADAMS軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。王虎奇等［13］采用試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)仿真手段，研究了某全減振山地車(chē)車(chē)架在簡(jiǎn)諧激勵(lì)條件下對(duì)不同類型后懸架減振器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并對(duì)試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。利用動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相同激勵(lì)條件下的仿真試驗(yàn)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)新興的工程技術(shù)，借助于這項(xiàng)技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型，模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［14－16］，但是很難用單一的軟件獨(dú)立完成整個(gè)仿真過(guò)程。從剛體動(dòng)力學(xué)在車(chē)輛方面的應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，剛體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用之廣，但是剛體動(dòng)力學(xué)在車(chē)輛輕量化方面的應(yīng)用的研究比較少。

1.1.3 剛?cè)狁詈蠎?yīng)用研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究主要在多剛體的領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行，然而由于剛性假設(shè)，在一些需要考慮構(gòu)件變形的特殊情況下很難保證結(jié)果的精度要求，由此形成了系統(tǒng)剛性運(yùn)動(dòng)與自身變形之間相耦合的彈性動(dòng)力學(xué)研究方法。彈性動(dòng)力學(xué)考慮了機(jī)械構(gòu)件的彈性和剛性［17］:一方面，機(jī)械構(gòu)件的彈性變形將顯著地影響其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性;另一方面，機(jī)械構(gòu)件的大范圍高速運(yùn)動(dòng)加劇了構(gòu)件的彈性變形。這兩種因素相互影響，相互作用，它不同于剛體動(dòng)力學(xué)或彈性力學(xué)所描述的規(guī)律，也不是兩者的簡(jiǎn)單疊加，因此單純地運(yùn)用剛體動(dòng)力學(xué)或彈性力學(xué)都無(wú)法準(zhǔn)確描述構(gòu)件的力學(xué)行為。

目前，剛?cè)狁詈蠎?yīng)用在很多領(lǐng)域:張永德等［18］針對(duì)多操作機(jī)排牙機(jī)器人系統(tǒng)中的牙弓曲線發(fā)生器難以用剛體形式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的問(wèn)題，采用ANSYS和ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行了聯(lián)合仿真。張立軍等［19］基于多體動(dòng)力學(xué)理論，建立了剛?cè)狁詈险?chē)模型，并與多剛體模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。管群生等［20］建立了全地形叉車(chē)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)叉車(chē)的實(shí)際工況對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行了仿真，得到了關(guān)鍵鉸點(diǎn)的整個(gè)作業(yè)過(guò)程的受力歷程曲線，確定了叉車(chē)在工作過(guò)程中的危險(xiǎn)工況。劉建軍等［21］將 ADAMS和ANSYS相結(jié)合，完成了整體自裝卸車(chē)的仿真分析。利用ADAMS建立整體自裝卸車(chē)的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)裝卸過(guò)程進(jìn)行仿真分析，給出了主要構(gòu)件所受的載荷數(shù)據(jù)，然后利用ADAMS給出的載荷數(shù)據(jù)在ANSYS中對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行有限元分析和研究，給出了應(yīng)力分布。

由剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯?shí)踐研究表明，剛?cè)狁詈夏Ｐ涂梢詼?zhǔn)確描述受力物體的力學(xué)行為，既能描述其剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又能體現(xiàn)出彈性變形，將兩者相互影響、相互作用更真實(shí)地、更準(zhǔn)確地體現(xiàn)出來(lái)。但是，剛?cè)狁詈显谲?chē)架輕量化研究中沒(méi)有應(yīng)用。

1.2 車(chē)架輕量化研究現(xiàn)狀

我國(guó)的車(chē)架優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)的模仿和依靠經(jīng)驗(yàn)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榛谟邢拊恼蚍治鲈O(shè)計(jì)。有限元技術(shù)已成為車(chē)架結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中最為方便、準(zhǔn)確的工具，隨著最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，在車(chē)輛輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［22－24］。

目前，國(guó)內(nèi)外在這方面的研究主要有:呂東升等［25］對(duì)某客車(chē)車(chē)架進(jìn)行了有限元分析，得出車(chē)架剛度薄弱部位，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。楊英等［26］以某轎車(chē)白車(chē)身為研究對(duì)象，建立有限元模型，對(duì)車(chē)身進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)靈敏度分析，并對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。曾發(fā)林等［27］根據(jù)有限元方法建立了某半掛車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的有限元模型，在此基礎(chǔ)上分別探討了該車(chē)架的靜態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)該車(chē)架的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究，為后續(xù)車(chē)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其輕量化研究提供了重要的理論依據(jù)。孫立軍等［28］建立某全承載式客車(chē)車(chē)身骨架有限元模型，在保證車(chē)身強(qiáng)度和剛度條件下，提出輕量化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了車(chē)身骨架減輕質(zhì)量的目標(biāo)。邵超城等［29］在低速純電動(dòng)汽車(chē)輕量化車(chē)架的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用前處理軟件建立了車(chē)架的三維實(shí)體模型和有限元前處理模型，利用ANSYS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的車(chē)架進(jìn)行了強(qiáng)度剛度分析、模態(tài)分析。王瑩瑩等［30］針對(duì)某型號(hào)電動(dòng)車(chē)的車(chē)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到了該車(chē)架自由狀態(tài)下的十二階頻率，為車(chē)架響應(yīng)提供了重要的模態(tài)參數(shù)，同時(shí)也為車(chē)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

從國(guó)內(nèi)外對(duì)車(chē)輛車(chē)架的研究可以看出，盡管有限元技術(shù)的發(fā)展及在車(chē)架中應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但是在目前應(yīng)用分析中，車(chē)架在作業(yè)時(shí)所受的動(dòng)載荷作用仍以用動(dòng)載系數(shù)來(lái)表示，靜強(qiáng)度仍被作為車(chē)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而車(chē)架實(shí)際受到的載荷多為動(dòng)態(tài)載荷，動(dòng)載系數(shù)以及靜強(qiáng)度都無(wú)法準(zhǔn)確描述其實(shí)時(shí)受力狀態(tài)。因此，這些做法是不全面的，利用動(dòng)態(tài)載荷分析方法對(duì)車(chē)架分析的研究更符合車(chē)架的實(shí)際工況。

2 結(jié)束語(yǔ)

利用靜載荷或者動(dòng)載系數(shù)的方法描述車(chē)架實(shí)際載荷與實(shí)際不符，分析結(jié)果可信度低。本文提出通過(guò)建立包括車(chē)架在內(nèi)的剛?cè)狁詈险?chē)虛擬樣機(jī)來(lái)研究車(chē)架的動(dòng)態(tài)工況，并以此為基礎(chǔ)對(duì)車(chē)架進(jìn)行輕量化研究。目前，基于動(dòng)態(tài)仿真的輕量化研究方法更能準(zhǔn)確地描述車(chē)架工作過(guò)程中所受的動(dòng)態(tài)載荷，基于此的輕量化研究可信度更高，但是該種方法在車(chē)架輕量化中應(yīng)用較少。至于怎樣的路況更能全面地體現(xiàn)車(chē)架各種極限工況，是本文筆者需要進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容。

［1］Dooms D，Degrande G，De Roeck G，et al.Finite element modeling of a silo based on experimental modal analysis［J］.Engineering Structures，2006，28:532 －542.

［2］Joseph C，Benedy K.Light metals in automotive applications［J］.Light Met.Age，2000，58(10):34 －35.

［3］陳錫棟，楊婕，趙曉棟，等.有限元法的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2010，39(11):6 －8.

［4］Zhang Y，Zhu P，Chen G L，et al.Study on structural lightweight design of automotive front side rail based on response surface method［J］.Journal of Mechanical Design，2007，129(5):553 －557.

［5］劉大維，嚴(yán)天一，董振國(guó)，等.半掛牽引車(chē)車(chē)架模態(tài)分析［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2006，35(11):57 －60.

［6］鐘兵.基于Hyper Works的汽車(chē)車(chē)架頻率響應(yīng)分析［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2009(6):101－104.

［7］李源源.基于頻率響應(yīng)分析的車(chē)架疲勞壽命研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

［8］馬宇，常永英，李育文.客車(chē)車(chē)架模態(tài)及瞬態(tài)響應(yīng)分析［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006(3):58－60.

［9］張清，石曉輝，毛星子，等.基于實(shí)際道路激勵(lì)譜的摩托車(chē)車(chē)架隨機(jī)響應(yīng)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(2):222－224.

［10］商曦文，張建寰.基于ADAMS平臺(tái)整車(chē)建模與仿真［J］.機(jī)電技術(shù)，2011(2):11－13.

［11］張?jiān)魄?，?xiàng)俊，陳立平，等.整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型的建立、驗(yàn)證及仿真分析［J］.汽車(chē)工程，2006(3):287－291.

［12］陳黎卿，王繼先，鄭泉.基于ADAMS的懸架系統(tǒng)與整車(chē)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(7):814－817.

［13］王虎奇，陳樹(shù)勛.基于ADAMS的裝載機(jī)前車(chē)架有限元分析載荷求解［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(3):64－66.

［14］Guo Konghu，Liu Qing.Modelling and simulation of non － steady state cornering properties and Identification of structure parameters of tyres［J］.Vehicle System Dynamics，1997，27(9):80 －93.

［15］郭孔輝.汽車(chē)操縱動(dòng)力學(xué)［M］.長(zhǎng)春:吉林科學(xué)出版社，1991.

［16］Hegazy S，RahnejatH，Hussain K.Multi－ body dynamics in fullvehicle handling analysis［J］.Proceeding of Institution of Mechanical Engineers:Part K，1999，213:19 －35.

［17］劉曉東，章曉明.基于ADAMS與NASTRAN的剛?cè)狁詈象w動(dòng)力學(xué)分析方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(2):23－26.

［18］張永德，汪洋濤，王沫楠，等.基于ANSYS與ADAMS的柔性體聯(lián)合仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008(17):4501－4504.

［19］張立軍，張宇，趙亮.基于懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ偷钠?chē)平順性［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008(8):28 －32.

［20］管群生，賈楠，李立順，等.基于ADAMS的全地形叉車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2011(2):24－27.

［21］劉建軍，王東強(qiáng).基于ADAMS和ANSYS的整體自裝卸車(chē)的仿真分析［J］.電子機(jī)械工程，2008(2):55 －59.

［22］Kim J G ，Jang G W.Development of a lightweight frame for a 40-foot flatbed trailer by using CAE-based structural optimization［J］.Journal of Automobile Engineering:Part D，2011，225(5):23－26.

［23］Wang Y Y，Lu C，Li J，et al.Simulation of drop/impact reliability for electronic devices［J］.Finite Elements in Analysis and Design，2005，41(2):667 －680.

［24］ Theofenis Strouboulis，Lin Zhang.Generalized finite element method using mesh－based handbooks:application to problems in domains with many voids.Compute［J］.Methods Appl.Mech.Engrg，2003(3):3109 －3161.

［25］呂東升，王東方，蘇小平.基于Hyper works的某客車(chē)車(chē)架有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(3):11 －12.

［26］楊英，趙廣耀，孟凡亮，等.某轎車(chē)白車(chē)身結(jié)構(gòu)靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，29(8):1189－1163.

［27］曾發(fā)林，李德華，范嫦娥.某車(chē)架有限元建模及仿真研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012(2):103－106.

［28］孫立君，譚繼錦，蔣成武，等.多工況下客車(chē)車(chē)身骨架輕量化研究［J］.設(shè)計(jì)·研究，2010(5):20－24.

［29］邵超城，劉強(qiáng)，龍飛永.純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)及有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(8):39 －41.

［30］王瑩瑩，呂建龍.某型號(hào)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架的有限元建模及模態(tài)分析［J］.汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2011(9):8－11.

The Research Status of Frame Lightweight Based on Kinetic Analysis

DUAN Benming，ZHANG Hongxin，ZHANG Luzou，SHI Jinzhu，WANG Mingyang
(Qingdao University，Shandong Qingdao，266071，China)

It summarizes the overseas and domestic status of its dynamic simulation research and frame lightweight research，elaborates the main problems and inadequacies of these researches.In order to conduct the lightweight research of the car frame，it needs to get the dynamic loads of frame exactly.This paper puts forward a new method of rigid－flexible coupling dynamic simulation which can be applied in lightweight research of the car frame.In other words，by the dynamic simulation research of the frame，it can get the dynamic loads of frame exactly.This method can describe the actual working conditions of the car frame more exactly，and the result will be more dependable.

Frame;Lightweight;Dynamic Loads;Rigid－flexible Coupling

U463

A

2095－509X(2013)04－0072－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.018

2013－01－06

國(guó)家863計(jì)劃(2012AA110407)

段本明(1987—)，男，山東鄒城人，青島大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛新型動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)與電子化。