HyperWorks在车架螺栓布局中的应用

摘 要: 某牵引车在台架扭转疲劳试验过程中，前端外翻车架与车架连接螺栓个别出现松动现象，为此首先使用HyperWorks软件进行有限元分析再现故障工况，并利用OptiStruct拓扑优化功能针对该工况进行优化分析，根据优化结果提出若干改进方案，最后通过方案对比确定了一个较为理想的螺栓布局方案，达到了很好的效果，解决了螺栓松动现象。
关键词: 车架 螺栓孔 布局 优化

0 概述

某牵引车为匹配新型发动机安装空间，前端车架进行外翻设计并通过螺栓与原车架连接，试制样车在台架扭转试验过程中，出现连接螺栓松动现象。为此，我们通过使用HyperWorks有限元分析软件，首先针对该工况进行故障再现，通过对重叠区域的各螺栓孔边应力进行对比，确定导致松动的工况，然后针对该工况进行多种方式的优化，根据优化结果，推出了若干改进方案，通过结果对比，最终确定较为理想的2个方案，改进方案中，各螺栓孔边应力明显降低，且各孔应力梯度减小，效果非常明显。

1 某牵引车有限元模型

2 原车架分析过程及结果

2.1 分析模型

为减少分析规模，取一半车架进行分析，在前横梁处采用扭转对称约束，通过在车架前端施加向上的力模拟扭转载荷工况，分析模型如下：

2.2 有限元分析结果

有限元分析结果见表1：

根据分析结果可以看到，车架上的最高应力389MPa，出现在孔1、6、13、14处，与试验松动螺栓部位一致，并且已经接近车架所用钢材的屈服强度极限440MPa；螺栓孔最低应力仅为70MPa，说明此处的螺栓对于整体结构刚度、强度的贡献量很小，由此可见，车架当前的螺栓孔布局非常不合理。

3 优化过程及结果

3.1 拓扑优化

为降低孔1、6、13、14边的应力，我们在HyperWorks中对其进行拓扑优化，剔除发动机悬置支架和前悬支架所覆盖的区域，将外翻纵梁和车架纵梁公共区域作为优化设计空间，在重叠区域填充焊接材料，以设计区域的体积作为优化约束，以在扭转工况下的整体刚度最大为优化目标进行优化分析。

其中优化区域填充材料可以选择：实体、梁、焊接单元等，如果进行了合理的参数设置，可以发现不同填充材料的拓扑优化结果基本一致，下面列出实体的拓扑优化结果：

首先可以看到，经过合理参数设置的拓扑优化结果比较理想；其次，通过对比可知原车架螺栓分布与优化结果所给的螺栓建议布局差异较大。

附：a、参数控制注意事项：对于拓扑优化，其涉及到的参数控制有对称、拔模方向、单元最小成员尺寸控制，离散参数控制等，根据需要灵活设置值的大小；在实际设置过程中需要一定的工程经验，但原则是无论进行怎样的设置，对于优化得到的结果，都需要进行刚度、强度或者模态校核以保证优化所得结果是我们真正需要的。

b、除此之外，基于研究的深入，进行了对称优化分析和针对螺杆直径的形状优化分析（使用OptiStruct的HyperMorph功能可轻松实现），以下简单列出部分分析内容：

3.2 改进方案

根据优化结果所给的提示，我们应当在红色区域分布沿线进行螺栓分布，并且在红色区域面积大的地方适当的多布置螺栓，当然这需要同时结合车架孔设计中的一些原则，应考虑的因素包括上下孔间距、左右孔间距、孔距离上下翼面的距离等在经过多轮计算，并与设计人员进行研讨后，最终确定了如下2套较为理想的改进方案：

3.3 改进方案分析结果

根据2种改进方案的分析结果来看，相对与原方案，车架上最高应力从389MPa下降至308MPa，降幅21%，非常明显，并且最高应力与最低应力间的梯度也大大缩小，说明改进方案中所有的螺栓对于整体刚度、强度的贡献量比较均匀，效果非常明显。

4 结论

本文通过对某牵引车外翻车架与车架重叠部位通过添加适当的材料，经优化得到了非常理想的优化结果，根据优化结果及多轮的计算，最终确定了2种较为理想的改进方案，为解决车架螺栓松动提供了很好的理论参考。

此外，针对本案例的螺栓布局还尝试使用了多种方式的拓展优化研究，拓展研究结果也许最终不会应用到实际中，但在理论上对于设计人员、结构分析人员都提供了一些新的螺栓布局设计时的思路和方法。

5 参考文献
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