轻量化设计

受到能源和环境保护的压力，世界汽车工业很早就开始了轻量化的研究虽然应用轻金属。现代复合材料是现代车辆轻量化研究的热点之一 但是这些新材料应用在主要承载部件上的成本较高。因此在短时间内很难普及另一方面，车辆的传统材料钢材，由于其强度高 成本低、工艺成熟，并且是最适于回收循环利用的材料。因此利用钢材实现轻量化的可能性备受关注 。

1994年, 国际钢铁协会成立了由来自全世界18个国家的35个钢铁生产企业组成的ULSAB 项目组。其目的是在保持性能和不提高成本的同时，有效降低钢制车身的质量。ULSAB 项目于1998年5月完成，其成果是显著的 ULSAB 试制的车身总质量比对比车的平均值降低25% ，同时扭转刚度提高80% ，弯曲刚度提高52% ，一阶模态频率提高58%， 满足碰撞安全性要求，同时成本比对比车身造价降低15%。

从1997年5月启动的ULSAC 、ULSAS 和1999年1月启动的ULSAB_AVC 为ULSAB 的后续项目也在轻量化研究上取得很大成绩。

除了以上提到的国际上著名的四个轻量化项目外，全世界范围内对基于结构优化的轻量化技术也进行了大量的研究。韩国汉阳大学J.K.Shin 、K.H.Lee 、S.I.Song 和G .J.Park 应用ULSAB 的设计理念和组合钢板的工艺，对轿车前车门内板进行了结构优化，成功地使前车门内板的质量减重8.72%。此技术己在韩国一家汽车企业中得到应用。

通用汽车公司的R.R.MAYER 密西根大学的N.KIKUCHI 和R.A.SCOTT 应用拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零件进行优化设计，此技术已应用到一款轿车的后围结构上。

瑞典Linkoping University的P.O.Marklund 和L.Nilsson 从碰撞安全性角度对轿车B 柱进行了减重研究，研究以B 柱变形过程中的最大速度为约束变量。以B 柱各段的厚度为优化变量，以质量为优化目标，实现在不降低安全性能的条件下减重25%。

美国航天航空局兰利研究中心的J.Sobieszczanski Sobieski 和SGI 公司的S. Kodiyalam 以及福特汽车公司车辆安全部门的R.Y .Yang 共同进行了轿车的BIP (Body In Prime)基于NVH(噪声、振动、稳定性) 和碰撞安全性要求下的轻量化研究，实现了在不降低性能的条件下减重15Kg 。

近年来，交通运输、公路管理等国家部门在全国范围内对超载车辆的

查处日益严格，《道路机动车辆生产企业及产品公告》管理制度13益规范和完善，政府出台了一系列政策、法规，大力倡导节能减排。这些因素促使道路运输车辆，特别是重型汽车，出现了轻量化的趋势。 同时，迫于激烈的市场竞争、原材料价格上涨的压力，为降低整车成本、降低整车质量以提高载质量利用系数进，而降低车辆使用油耗，产品轻量化也是汽车企业自身发展的需要和应尽的社会责任。

减轻车架质量的方法不外乎2种：一是采用高强度材料替代强度相对较低的材料；二是对车架总成结构进行优化设计，提高材料利用率。经过初步工艺分析、成本核算，决定同时采用这2种方法对车架总成进行轻量化设计。

车架作为汽车的承载基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货厢等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的所有力和力矩。因此，轻量化车架应能保证足够的刚度和强度，以使装在其上的有关机体之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；同时保证其有足够的可靠性和寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂[1]。

为缩短计算时间、降低计算难度，用于有限元分析的车架数学模型、各零部件的约束以及负荷，都已经过数学简化。这就注定了有限元分析与实际情况或多或少存在差异。为采集真实试验数据以验证有限元

分析的准确性，有必要进行车架台架试验。而且，车架作为重型汽车的基础构件，与大量其他部件有装配关系，一旦车架结构改动，很可能牵一发而动全身。所以，稳妥起见，也有必要进行车架台架试验。

为减轻节能车车架质量, 获得良好的燃油经济性

既然车架台架试验是为了验证有限元分析，那么台架试验就应该按照有限元分析的方法(即弯曲、扭转2种工况) 进行。

台架试验的主要内容包括各工况的应力测量、弯曲工况疲劳试验、扭转工况疲劳试验，试验严格按欧洲标准进行。

为了得到尽可能符合实际需要的设计，必须选择足够多的状态变量。但是为了加快优化进程，必须消除不必要或冗余的状态变量。太多的设计变量增大了收敛到局部最小而非全局最小的概率，必须尽量减少设计变量。采用变量关联的方法，将车架结构上互相有联系的非独立尺寸按照比例关系确定。将设计参数分为4类：梁的厚度、梁的截面宽度、梁的截面高度和布置尺寸。

随着汽车轻量化技术日益受到重视，对高强钢、铝合金等轻量化材料的应用、液压成型等先进制造工艺的工程化、新型轻量化结构等方面的探讨，将成为汽车行业研究人员关注的热点。而本文给出的概念模

型拓扑优化分析实例，进一步说明拓扑优化技术在寻找新型轻量化结构方面，将起到举足轻重的作用。

车辆轻量化是减少原材料的消耗、降低车辆的生产成本、减少排放的最有效措施之一。对于特种重型专用车，车架自重和其所占整车重量比例均较大，因此减轻车架自重对车辆轻量化研究具有重要的意义。减轻车架自重一般有两种途径：一是从新材料人手，采用轻金属或现代复合材料”3等低密度材料制作车架，以减轻结构重量；二是从优化设计人手，对现有钢结构车架进行结构优化设计，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。前者轻量化效果明显，减重幅度比较大，但具有研发成本高，工艺复杂等困难；后者成本低容易实现，如果方案得当也能得到良好的轻量化效果

专用车通常采用边梁式车架结构，影响车架重量的主要因素为结构参数，如车架的几何尺寸和板壳厚度。如果以结构参

数为设计变量，以车架结构重量

为优化目标，则车架轻量化结构优化设计数学模型一般可表示为：

中，gi (X)为不等式约束函数，hj (x)为等式约束函数，m 为不等式约束个数，l 为等式约束个数。约束条件可以是强度约束、刚度约束、动态特性约束以及几何约束等。

考虑到纵粱在车架质量中占有较大的比例，因此选择纵梁作为优化的具体对象。等截面纵粱的腹板和上下翼板厚度沿长度方向不变。优化方案jiang 纵梁土翼板和腹板分别划分为前、中、后三段；将下翼板分为有加强板和无加强板两段；加强腹板整体作为一部分。取各段各板的厚度为变量，一共可得到9个优化设计变量。优化设计变量初始值以及优

虽然优化结果使得纵粱各段钢板厚度不相等，会增加制造困难，但采取工艺改进实际上是可以实现的，因此本文的方法和结果对重型车架从理论上和实际上均有良好的参考价值。

如果将纵横粱所有构件的厚度均作为优化设计变量，优化效果可能会更好。但大量试算表明，设计变量太多，计算规模太大，所需计算机资源要求较高，导致在有效的时间内难以完成实际计算。