摘 要：驾驶室骨架主要起承载和保护人员安全的作用，文章通过有限元方法对其进行了结构强度评估和结构优化设计分析。结果显示：原始结构设计存在局部应力集中和材料浪费现象；通过铝合金代替部分钢材，对骨架结构拓扑优化，得到更为合理的骨架结构。新骨架仿真结果显示，原先设计存在的应力集中问题得到了明显改善，应力分布更加均匀，在保证骨架刚度与强度的前提下，节省材料约15%，实现骨架的轻量化设计。
关键词：骨架；轻量化；拓扑优化；铝型材
中图分类号：U463.81 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）21-188-03
Vehicle frame structure analysis and lightweight design*
Li Sha
（ Shanghai Dianji University， Shanghai 201306 ）
Abstract： Cab frame is mainly used to bear and protect the safety of people. In the paper， structural strength and design optimization were analyzed by finite element method. The results showed that original structure design has obvious local stress concentration and waste of material. Steel was replaced by aluminum， then structure topology optimization was used to design a better cab frame. New design was calculated and the results showed that stress concentration has been improved and the stress distribution get more uniform compared with original design. Under the premise of stiffness and strength， material was saved about 15%. Lightweight design of cab frame was achieved.
Keywords： frame； lightweight； topology optimization； aluminum alloy
CLC NO.： U463.81 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）21-188-03
引言
随着国家油耗法规日益严苛，节能减排已经成为现代汽车主要研究和发展方向。相关资料显示，如果将汽车的重量减轻15%～20%，那么每公里的油耗将减少0.5～1升[1，10]。因此，在发动机效率无法明显提升的情况下，汽车轻量化已经成为各大整车厂降低油耗的重要手段。目前实现汽车轻量化的途径有三条：
结构轻量化，即采用先进的优化设计方法和技术手段，在满足车身强度、刚度、模态、碰撞安全性等诸多方面性能要求的前提下，通过优化车身结构参数，提高材料利用率，实现轻量化。
材料轻量化[8，9]，即铝、镁、钛合金材料是所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料，因而成为汽车减轻自重，提高节能性和环保性的首选材料。
制造轻量化，即以车辆轻量化设计为基础，综合考虑所采用轻量化材料的特性和产品控制成本要求前提下采用的制造技术。目前使用最广泛的有激光焊接技术，液压成形技术，高强度钢热成形技术，高强度钢棍压成形技术，电磁成形等先进技术以及连接技术，表面处理技术，切削技术。
本文采用結构轻量化与材料轻量化两种方法相结合，首先用有限元法分析原驾驶室的力学特性，针对设计不合理的部位进行优化，然后采用铝合金异型材替代部分钢材，在满足强度刚度的条件下，实现车辆轻量化。
1 原骨架模型与静力分析
骨架是整个车身的主要承载部件，本文运用有限元方法分析了驾驶室骨架的力学特性，根据计算结果改进了原始设计，在没有减弱结构强度的前提下，实现汽车轻量化的目的，具体研究思路如图1所示：
1.1 建立骨架模型
汽车骨架一般由槽钢、方形钢、角钢和π型钢焊接在一起[2]，对骨架建立模型如图2。各梁的编号与尺寸，分别如图3及表1、图4及表2、图5及表3。
1.2 建立骨架有限元模型
结合汽车骨架的实际情况，选用空间梁单元和空间薄壁梁单元，即Beam188，得到骨架有限元模型如图6所示[3]。
1.3 有限元分析结果
2 新骨架有限元分析
2.1 选择轻量化材料[8]
和钢材相比，铝合金有较好的比吸能和比强度，它能满足高强度要求，同时还减轻汽车重量，故本文选用综合性能均衡的铝合金作为骨架材料[4]，密度为2.7g/cm3，许用应力为245MPa。
2.2 新骨架模型与静力分析
经过多次实验，用铝合金代替原骨架中部分钢材。为了改善铝合金的不易连接性，在梁连接处添加连接加强筋，设计的新骨架如表5所示。对新骨架建立有限元模型，载荷与约束条件不变，仿真模拟如图16、17、18所示。结果显示：新骨架明显改善了应力集中现象，在满足强度刚度的前提下，节省材料约15%左右，实现了汽车轻量化设计的目的。
3 结论
本文运用有限元分析方法，分析了某汽车骨架在典型工况下的应力应变情况，根据计算结果对骨架结构进行优化，并且选择铝合金异型材替代部分钢材。在满足强度刚度的条件下，节省约15%的材料，实现了汽车轻量化设计的目的。
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