1 前言

    车架是多轴特种车辆的基础承力结构，其载荷可以分为两大类。第一类是上装设备工作过程中产生的载荷，如举升油缸对车架的作用力、调平过程中支腿油缸的反作用力等，此类载荷作用点相对集中，在计算和分析过程中一般按静态载荷处理；另一类是车辆在行驶过程中产生的动载，如行驶、转弯、制动等工况，此类载荷的特点是作用点分散，在时间历程上各作用点的载荷变化较大，需要对时间历程中不同时刻的载荷组合进行对比分析，找出最恶劣的载荷工况。

    多轴车辆底盘的车架一般采用高强度钢板焊接结构，由纵梁、横梁、尾梁、支腿和油缸支承等部件组成。受到结构尺寸以及复杂程度的影响，多轴车辆底盘车架的试制、静态试验等工作一般情况下不少于3个月。再考虑到底盘装配、调试后进行动态测试的周期，全部载荷工况验证所需要的周期至少需要6个月的时间。如果在设计阶段不能对车架的动态、静态力学性能进行全面准确的计算和分析，则有可能导致研发工作的反复，在经费、周期等方面造成无法挽回的损失。尤其是近年来各应用领域的用户对研发周期、经费以及多轴车辆的性能指标提出了更高的要求，不但要通过优化设计达到减轻重量、提高性能的目的，而且还要缩短产品推向市场的时间。

    综合考虑上述要求，本文介绍了HTF系列八轴特种汽车底盘车架的多工况优化设计工作，以有限元和多体动力学理论为基础，通过整车动力学分析获得车架的动态载荷工况，在ANSYS和WORKBENCH软件平台上完成了多载荷工况的优化设计，达到了提高设计质量和减轻结构重量的目的。

    2 载荷工况分析

    2.1 静态载荷工况

    车架的静态载荷工况主要是上装设备工作过程中产生的作用力和反作用力，根据总体设计要求，载荷作用点集中于三个位置，主要考虑三种载荷状态作为设计、计算依据，如表1所示。

表1  上装载荷状态

    2.2 动态载荷工况

    HTF系列八轴特种汽车底盘为自行式结构，为了提高整车的机动能力和行驶安全性，采用了双横臂油气弹簧独立悬架、前后分组转向、多贯通驱动桥等先进技术。整车的CAD模型在UG NX3软件平台上完成虚拟装配，通过Motion模块完成整车多体动力学模型的前处理，将三维实体的质量、质心位置、转动惯量以及刚体之间的约束关系传递到动力学分析软件平台上，提高了建模效率，并能够保证计算模型的细节最大程度的模拟实际情况。整车动力学模型包含运动部件116个，具有30个自由度，如图1所示。

    计算工况包括平顺性和操纵稳定性两部分。平顺性计算工况包括脉冲输入（按照GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》）和随机输入，其中随机输入数据由道路试验获得，通过相关处理转换为车桥垂直载荷。操纵稳定性输入计算工况包括稳态回转、方向盘角阶跃输入、转弯制动三种。计算结果为车架总成上各油气弹簧上支耳、悬架摆臂支架的载荷时间历程，图2所示为角阶跃输入工况下左一桥油气弹簧上支耳的三向载荷时间历程。

      
图1 整车动力学模型

图2 角阶跃输入工况油气弹簧支耳三向载荷

    3 车架计算模型

    车架的CAD三维实体模型是在UG NX3下构造的，由于CAD与CAE的思路和最终目标差异，CAD模型不能直接用于计算分析，必须对读入的CAD实体模型作适应于CAE的改造。在ANSYS软件中，需要对从CAD模型转换过来的复杂结构零件进行相互连接，采用耦合连接则太繁琐，采用布尔运算连接比较复杂。如果在同一界面下逐个构建几何实体，界面会变得很繁复不易处理。因此要解决这个问题，应采用其他有效、简洁的几何实体构建方法，还要保证几何体间无缝连接。

 
图3 车架计算模型

    对复杂结构的各个部件在Design Modeler下进行分别构建，再利用标准格式转换读入是一个比较实用的方法。采用标准格式(如IGS格式)读入时，点线面相同的特征会自动合并，在构建每一个部件时要保证连接处的点线面一致，就解决了各部件间的无缝连接问题。