关键词：节能车车架, 尺寸优化, 有限元分析, RADIOSS
引言
HONDA中国节能竞技大赛是通过自己设计并制作车赛车，使用规定量的汽油行驶，通过换算，最后得出1升油能够行使多少公里的一项节能竞技赛事。赛会为参赛车辆提供统一的发动机，其它部件则由各车队独立创作完成，各参赛队可以充分发挥各自节能的创想，打造完全属于自己的赛车。其中车辆轻量化是取的好成绩的一个重要因素。
在上一设计阶段，设计人员借助HyperWorks软件的帮助，通过拓扑优化设计了节能车车架。由于该车架是为竞技比赛而设计的，并不需要满足日常使用，为了最大限度挖掘车架轻量化的潜力，通过进一步尺寸优化，减轻车架重量，并在各工况下进行车架刚度和强度的有限元分析，保证赛车能顺利完赛。
1 有限元模型建立
由于在上一阶段的设计中已经建立了车架的有限元模型。本文只简单介绍，不再详述模型的建立过程。
首先通过igs格式将车架几何模型导入HyperWorks，由于车架由薄壁管组成，适合用壳单元建立有限元模型。使用midsurface功能抽取中面后，进行几何清理，并划分二维网格。
材料参数：弹性模量：2.1× MPa，泊松比：0.3，密度：7.93× t/mm3。
壳单元的厚度为0.9mm。
约束设置：节能车采用两前轮、一后轮的形式。为了结构简单，节能车没有设计弹性悬架系统，车轮与车架直接相连。为模拟静态满载工况，在安装前后轮轴的部位设置rb2单元，释放它们x方向和绕y轴转动的自由度，约束其它自由度。
载荷设置：车架所承受的力包括：车手重力：550N；发动机重力：240N；外壳及其他附件重力：300N。
将人体重力和发动机重力以均匀分布力的形式施加在车架相应位置，车壳通过6个安装点与车身相连，故将车壳重力分散为六个力分布于车架周围。
通过GRAV卡片，添加车架自身的重力。
有限元模型如图1所示。
图1 车架有限元模型
（a）位移云图 （b）应力云图
图2 有限元计算结果
2 尺寸优化
市场上可供选择的30×30mm钢管壁厚范围从0.6~1.5mm，增量为0.1mm。因此需要预先设置一个离散的设计变量。在discrete dvs面板中设置离散变量为0.6~1.5，增量为0.1，如图3所示。
图3 设置离散变量
设置位移响应和体积响应，约束条件为最大位移10mm，优化目标为体积最小（即重量最轻）。
（a）位移云图 （b）应力云图
图4 尺寸优化后的位移和应力云图
3 其它工况的校核
尺寸优化后管壁较薄，而且车架是从满载弯曲工况角度设计的，因此还需要检验它在其它工况下的表现，进行刚度和强度的有限元分析。
需要说明的是，该车只在练习和正式比赛的短时间内使用，为了尽量挖掘车辆轻量化的潜力，并不需要很高的安全裕度。又由于节能车比赛并非比速度的赛车运动，比赛过程中的平均速度为25km/h，且不会出现急刹车、急加速、高速过弯等极限工况，而赛车场路面状况极佳，不会出现明显的颠簸情况。因此其它极限工况出现的概率较低，其他工况校核时只要变形和应力不明显超过设计指标，就认为是可以接受的。
3.1 启动工况
启动时车辆从静止状态变为运动状态会受到瞬间较大的冲击力。
由于该车后轮为驱动轮，所以约束两前轮x、y、z方向及后轮z向自由度，启动瞬间需克服的临界摩擦力近似于滑动摩擦力，轮胎与地面滑动摩擦系数大约0.5，故在后轮施加驱动力545N。
提交RADIOSS计算求解后，最大应力为160.4MPa，最大变形9.9mm，其各自发生的位置与满载弯曲工况中接近。应力和变形的增大是由于后轮驱动的原因，启动时向前的驱动力对纵梁产生弯矩，并与车架上原有负载的作用相叠加，增大了车架变形和应力。应力和变形仍在设计指标的范围内，只是安全系数不高，但考虑到启动次数较少，认为此车架仍然可以满足启动工况的要求，而且这恰恰到达了最大限度发挥材料性能的目的，符合此项竞技赛事的要求。
3.2制动工况
最极端的刹车状况是车轮在地面滑行，由于是本车是后轮刹车，故约束两前轮x、y、z方向及后轮z向自由度，在后轮施加向后的制动力545N。
提交RADIOSS计算求解后，得到最大变形为2.3mm，位置与满载弯曲工况中的接近。最大应力为86.9MPa，但位置发生了改变，如图5所示
图5 制动工况下的应力云图
3.3扭转工况
扭转工况是一种比较极端的状态，普通车辆行驶的路面状况不稳定，可能会遇到过坑情况，此时一个车轮悬空，车架发生扭转。
在弯曲工况的基础上，释放左前轮的所有自由度。提交RADIOSS计算后，得到最大变形为 7.7mm，最大应力为190.9MPa，接近屈服极限205MPa。最大应力位于右前轮的连接处，但这种扭转情况在路面优良的赛场基本不会出现。为防止万一可以在连接车轮的部位加焊钢片，以增加局部管壁厚度。
图6 扭转工况的位移和应力云图
经过有限元分析后，这个从满载弯曲工况角度设计的车架，仍然可以满足其它工况下的使用要求（针对节能车比赛这个特殊背景）。在某些工况中的应力在一定程度上达到了设计要求的临界值，这也达到了尽量发挥材料性能的设计初衷。
4 结论
尺寸优化后的车架比原设计减轻2.1kg，进一步挖掘了车架的轻量化潜力。通过拓扑优化和尺寸优化后的车架，总共比上届车架的9Kg质量减轻了50%，可见上届设计的车架过于保守。
经过在其它极限工况下对车架进行有限元分析后，此车架仍满足刚度和强度要求。证明通过满载弯曲工况角度出发，设计节能车车架的这一方案是可行的。
最后，这个借助HyperWorks软件，通过拓扑优化和尺寸优化设计出的车架，经受住了理论和实践的检验，参赛后这辆节能车取得了本队四次参赛中的最好成绩。
图7 实车
[1] Altair Engineering Inc. HyperWorks User’s Manual Version 11.0
[2] 刘竹清. 客车车身结构轻量化研究[D]. 北京航天大学硕士学位论文, 2003, 3.
[3] 黄天泽, 黄金陵. 汽车车身结构与设计[M]. 北京：机械工业出版社, 1992. 10.
[4] 张润生, 侯炜. 车架刚度及强度的有限元分析[J]. 拖拉机与农用运输车. 2007. 04: 29-30.
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