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考虑运输工况的重型载货汽车车架

有限元分析及优化设计

胡磊，陈君宝

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰442002）

摘要：车架作为重型载货汽车核心部件，应轻量化改进设计。通过有限元分析和拓扑优化，本研究建立并优化了车架模型，考虑动

载荷系数以模拟运输动态。初始分析确认了车架满足基本强度和刚度要求，指出了优化空间。针对车架横梁布局和数量改进，并更换纵梁

材料为B700L后车架质量减少0.4353t，约25.44%，同时固有频率和安全系数提高，实现了安全性与轻量化的双重目标。

关键词：车架；有限元分析；ANSYS；结构设计；拓扑优化；轻量化

中图分类号：U469.2;U462.3文献标识码：A文章编号：1671-0711（2025）05（下）-0111-05

1 前言节会导致过于密集的模型网格、过小的单元尺寸，会延

随着我国经济的迅速发展，环境质量受到影响，汽长计算时间，降低局部网格质量，甚至可能扭曲结果。

车尾气排放是质量下降的主要原因之一。众多实验证明，为减轻计算负担和提升效率，车架结构的合理简化变得

对汽车进行轻量化设计是有效降低排放和减少燃油消耗非常必要。这时可以忽略非承载部件和省略不关键的细

的手段之一。相关研究表明，每减轻汽车10%，油耗可节，比如横梁的倒角和小螺栓孔。其次，假设结构的焊

降低6%～8%。车架作为商用车的关键组成部分，承担接部分为理想状态，即焊接区的材料属性与其它部分一

着驾驶室、发动机、变速箱和货箱的重力负荷，以及来致，并将焊接件视为单一整体。由于在计算中不详细考

自崎岖路面的振动激励。由于车架结构的复杂性和受力察各铆钉本身的破坏形式，因此车架的各处连接如螺栓、

状态的多样性，传统的设计方法往往难以满足日益严格铆钉、焊接等采用绑定接触简化，并通过合适的边界条

的性能要求。因此对重型商用车车架进行精细化的有限件和约束条件模拟悬架系统。计算建立的车架三维模型

元分析以及相应的优化设计，使其能保证在长时间运行及车架的尺寸如图1、图2所示。

和高强度工作环境下的耐久性和安全性变得愈加重要。

于志新等利用Hyperworks软件对某载货汽车车架

进行优化设计，识别出车架的薄弱部位，确定了关键尺

寸进行尺寸优化，优化后车架的最大位移由原来的20mm

减至12.3mm，刚度提高了8%；何文斌等利用Hypermesh

分析了车架前十二阶固有频率并进行了实际的模态试图1 某商用车车架三维模型

验，最后进行静强度分析，其应力和变形均符合要求；

韩立杰等对车架强度和扭转刚度分析，证实了焊缝用绑

定接触建模，使用质量单元或集中力模拟配重件对车架

的结构应力结果影响甚微。本文通过分析重型商用车车

架在各种负载条件下的应力和变形情况、振动环境中的

固有频率和振型，全面评估车架在运输中的不同工况下图2 某商用车车架尺寸

的性能，最后根据分析结果对车架布局进行优化设计并

校核。2.2 模型的网格划分

2 车架有限元分析模型将构建好的三维模型导入ANSYS中