试析农用车车架的结构分析与优化

试析农用车车架的结构分析与优化

孙宇豪

身份证号： 450702199210100014

摘 要：众所周知，我国自古以来就是农业大国。而新时代下我国正朝着农业强国的方向发展。农业技术水平的提升对于提高我国农业生产效率、降低农业生产难度是大有裨益的。农业设施的普及和完善是我国农业科技得到发展的一个重要体现。农用车作为农业生产运输中的主要设备之一，也在积极的探寻改良之路。农用车的车架是整个车身结构中最主要的承载构成部分。其结构和性能的稳定性直接决定着农用车的承载能力。因此，在对农用车进行改良时，对车架的结构设计进行优化是必经之路。在本文中，笔者以某款中型农用车为主要研究对象，在建立有限元结构模型的基础上对其车架结构进行了分析，并提出了优化方案。

关键词: 农用车; 车架结构; 模型分析; 结构优化

前 言

农用车的主要作用是对各种农产品进行运输。其特点有以下三点：(1)承载量大。农户在进行运输时，为了节约运输时间、减少运输次数往往会在每次运输时都将载重量增加到最大。因此，农用车长期处于过载的运行模式之下。（2）运行环境较差：农村地区的公路情况较差。农用车一般在乡间小路和崎岖不平的山路上作业。因为在崎岖的道路上行驶时车身与路面发生撞击使得车身震荡，且发动机的输出功率不平稳。这对于车身尤其是车架的质量有较高的要求。（3）造价较低。农用车与商务车和私家车不同，农户购置的主要目的是帮助完成农业生产。且考虑到农户的购买力优先，因此农用车的造价必须控制在合理的范围内。考虑到以上三点，如何在有限的生产成本内对车身的车架进行优化设计以使其能够在恶劣的环境下稳定、高效的运行就成了我们研究的重点。

1 车架有限元模型的建立

从目前的实际情况来看，对农用车车架结构进行分析和优化的一般方法是将有限元方法、实验技术和优化算法三者进行有机的结合。因此第一步就是建立起有限元模型。所谓有限元法（FEA），其基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元。并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。简言之就是将整体划分为局部，并针对局部进行改善。对于本次研究的农用三轮车的车架而言，在进行有限元模型建立的时候，要首先对车架的各个部件进行网格划分。在进行网格划分时，考虑到车架结构具有一定的复杂性，所以可以考虑以板单元为基础进行划分。因为相对于梁单元，它可以更好的将薄梁的弯曲、变形甚至断裂进行计算。计算结果更加精准，能够充分满足车架优化的需求。

2 车架分析

2. 1 车架受力分析

对农用车的车架进行受力分析时，最好是在其处于静止状态下进行。因为在其不工作时，车身处于静止状态，车架所承受的荷载只有悬挂以上的部分。此时，在静荷载的状况下，车架的受力较小且受力稳定，便于进行分析和计算。但是在建立模型时，我们需要以静力等效为基本原则，对车架所承受的外部荷载进行必要的补偿。因为车架在工作状态下的荷载与静止状态下有明显的不同。最明显的区别就是静止时受力是稳定的，而在运行时受力是不稳定的。在进行荷载补偿时，为了便于计算，往往将驾驶室、发动机和其他额外负载设定为车架的集中载荷。而将车斗和货箱的质量以及装载的实际质量作为车架的平均分布载荷。将荷载按照集中荷载和平均荷载进行划分，能够更加准确地表现车架的实际荷载情况。通过实际的测量，发现驾驶室的质量和发动机的质量共计一吨，驾驶员和乘坐人员约200kg，油箱全满时为100kg，车厢及载荷8吨。

农用车在实际的使用过程中需要承载货物的重量较大，且在移动的过程中由于与地面不平整的地方存在碰撞，因此会产生更多的承重量以及位移冲击。而通过专业的软件可以对车架的整体结构进行分析与测评，如ANSYS等。能够精准的找出容易因受重而产生危险的部位。

2.2车架结构分析

本文的研究对象是某款中型农用车，通过对其车架结构的分析发现其主要的结构可概括为边梁式双层结构。上层机构的主要作用是连接车身整体的轮廓和构架，下层则是起到发动机和传动设备的固定作用。整体上车架呈现出前部与后部宽度相同的模式，且各部分通过焊接结合在一起，不可拆卸。分析车架振型发现: 该车架第二横梁和 第三横梁之间是薄弱环节 ,在第三阶固有频率和第 五阶固有频率下都会发生明显的局部振动。 但在整 车中该区域会安装发动机和驾驶室 ,它们对车架刚 度都有显著影响 ,特别是发动机。当发动机与车架的 连接刚度较大且采用四点支撑时 ,会显著地提高该 区域的车架 (整体 )刚度 ,尤其是扭转刚度 ,因而该概 念车架的这一不足可以得到部分弥补。

3车架的结构优化

3.1结构优化的概念

结构优化设计是目前在很多领域内被广泛使用的一种设计方法。其借助的理论基础是数值计算和最优化理论。在计算机和相关应用软件的支持下按照预定的目标对现有的结构进行分析和优化。改方法在车架结构优化领域具有较强的实用性。结构优化包含的内容有尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化等。优化的过程一般可以分为两个阶段：（1）概念设计优化。这个阶段主要的目的是以目标为导向，对结构的基本形式和结构布局进行设计。（2）详细设计优化阶段。通过采用尺寸、形状等优化方法在满足产品性能的前提下调整结构。并将结果反馈给设计人员，以达到不断优化的目的。

3.2车架结构优化改进方案

1. 使用新型材料来替代传统的材料。车架的主要承重结构是中间梁柱。改办法是主要思路是通过新型材料来煅铸车架主要结构。新型材料应该具有密度更小、硬度更强以及韧性更强等优点。通过材料的优化来整体提升车架的静、动态性能。但是这种方法存在明显的弊端：首先是新材料研发的进度缓慢、研发成本高；其次是车身体积较大，更换材料后造价将会大幅提升，而农用车的市场价必须在农户能够接受的范围之内。因此，该方法的进展始终不理想。

2. 对现有生产工艺的优化。相同的生产材料，企业生产工艺的好坏同样会对车架的质量造成较大的影响。从长远来看，这种方法是值得大力提倡的。此举能够大幅提升企业的生产效益以及产品的质量。但是，工艺的改进需要大量的技术支持和资金投入，短期内难以形成规模。

3. 结构优化设计法。顾名思义，改方法主要的理念是在现有资源不变的前提下，结合有限元的静、动力学分析以及灵敏度分析的结果，对车架结构进行优化，以达到提升其性能的目的。对车架的结构优化分析可以从静态和动态分析两个方面考虑，相应的车架的灵敏度分析也可以从静态和动态灵敏度两个方面去分析。静态灵敏度分析可以是质量和体积灵敏度、应力灵敏度分析等;结构的动态灵敏度分析则可以为加权特征值灵敏度、频率响应位移灵敏度和频率响应应变灵敏度分析等。例如，可以通过分析的结果找出对结构性能影响较大和影响较弱的部件。对于影响较弱的部件，可以考虑减轻其重量和强度，并将结余的资源投入到对性能影响较大的部件上。取纵、横梁截面的长、宽和高共 20个尺寸作为设计变量。以车架总体积最小为目标函数对该车架进行弯曲、扭转刚度和一阶扭转频率等综合性能方面的优化。分别选取车架的弯曲、扭转刚度及一阶扭转频率值为状态变量。结果为车架的重量减轻了 13%，车架的弯曲刚度和扭转刚度均有降低。其中弯曲刚度降低了29. 2% ,扭转刚度降低了11. 3% ;车架的一阶固有频率变化仅为 2. 67%

结语：

农用车对于务农人员而言是十分重要的生产辅助设备。农区地区的情况复杂，对农用车的性能要求也较高。通过对农用车车架的结构分析和结构优化来提升农村的荷载能力以及质量是十分有必要的。采用结构优化设计法进行优化是当前最有效的优化方式之一。期待在未来能够出现更多的优化方案。

参考文献：

［1］马广，黄东明，王志明． 农用三轮车车架结构静动态特性仿真分析［J］．浙江大学学报( 农业与生命科学版) ，2018( 5) ．

［2］马迅，盛勇生．车架刚度及模态的有限元分析与优化［J］．客车技术与研究，2019( 4) ．