HyperWorks在车架螺栓布局中的应用

郎宝永 刘道勇 耿广锐 刘永超
东风商用车技术中心 武汉 430056

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。

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：

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：