成功案例丨基于OptiStruct的三轮车车架结构刚强度仿真计算与优化
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摘要：基于HyperMesh前处理和OptiStruct求解，针对某方案设计阶段的三轮车车架进行了颠簸制动和转弯工况的刚强度计算，并提出结构优化的方向。探讨了边界条件的加载对计算结果的影响，以说明边界条件的合理性对计算结果的重要性。
关键词：HyperMesh、OptiStruct、有限元、车架、边界条件。
一、背景
一、背景
随着城乡物流与短途运输需求的持续增长，三轮车因其结构简单、成本低廉、机动性强等特点，在中国的农村、城郊及城市小型配送等场景中被广泛应用。作为一种经济实用的交通工具，三轮车在农业运输、环卫作业、小型物流配送等领域发挥着重要作用。
在三轮车的整车结构中，车架起着至关重要的作用。它不仅支撑发动机、货厢、座椅等关键部件，还承担来自地面、动力系统以及运输载荷的多种复杂载荷，是整车力学性能的核心载体。车架的结构强度与刚度直接决定了整车的运行稳定性、安全性和使用寿命，特别是在恶劣道路环境或长期高载荷运行条件下，合理的车架结构设计显得尤为重要。
目前，三轮车车架的设计仍以经验法为主，依赖设计人员的经验进行手工校核。这种方式往往缺乏对结构细节应力分布的全面掌握，容易导致结构刚度不足、局部应力集中，甚至在长期使用过程中出现疲劳损伤与裂纹。此外，结构设计中还普遍存在重量与强度之间的矛盾：为提高承载能力而导致结构过重，影响整车经济性和动力性能。
为解决上述问题，现代工程设计中越来越多地引入有限元分析方法。有限元分析作为一种先进的数值模拟技术，能够准确模拟结构在各种载荷条件下的受力与变形情况，为结构性能评估和优化提供科学依据。通过建立三轮车车架的有限元模型，施加典型工况载荷，可以识别结构薄弱部位，评估整体强度与刚度，进而指导结构改进与轻量化设计。
基于此，本文拟开展三轮车车架的有限元建模与仿真分析工作，研究其在实际使用工况下的受力响应特征，评估结构安全性与合理性，为后续结构优化、减重与疲劳寿命评估提供技术支持。
二、三维模型及总体尺寸
二、三维模型及总体尺寸
车架整体包络外型尺寸为约2873mm×795mm×535mm，其总体外型轮廓及尺寸如图1所示：
图1 三轮车车架总体外形及尺寸
车架整体采用Q235碳钢矩形管焊接成型，其主承载梁矩形管外形截面尺寸为100mm×50mm，厚度为4mm，发动机框架梁截面外形尺寸为60mm×40mm，厚度为3mm，整体三维模型如图2所示：
图2 车架三维模型
三、有限元仿真分析及优化
三、有限元仿真分析及优化
3.1 有限元建模
有限元建模在HyperMesh前处理器进行。对车架进行一定特征简化，去掉矩形管的倒圆角，由于矩形管为薄壁结构。故抽取车架的中面几何模型，采用壳单元对车架整体结构进行有限元建模，以四边形单元为主，在某些细小特征或三角位置局部使用三角形单元，壳单元类型为CQUAD4和CTRIA3，总体单元尺寸为10mm。总单元数量为38867，总节点数量为38696。车架的各个梁之间的焊接采用共节点的方式进行模拟，有限元模型如下图所示：
图3 整体有限元模型
图4 局部细节
车架上的负载主要来源于货厢及其载货质量和发动机的质量，均使用质量点单元CONM2模拟其质量，货厢及其载货质量和发动机的等效重心位置与质量大小如下：
重心位置 | 重量/t | |
货厢及其满载质量 | (1091mm,115mm,0) | 0.6 |
发动机 | (500mm,292mm,15mm) | 0.2 |
表1 负载质量参数
质量点单元通过RBE3单元连接在所施加载荷的表面节点上，如下图：
图5 质量点单元
3.2 材料参数
车架所用材料为Q235碳钢，其典型计算参数如下表：
材料种类 | 杨氏模量/GPa | 泊松比 | 密度t/mm3 | ||
车架 | Q235 | 210 | 0.30 | 7.85×10⁻⁹ | 235 |
表2 车架材料参数
3.3 分析工况
为验证车架的可靠性，将模拟其运行时的极限工况，载荷以三个方向（垂向、横向、纵向）加速度给出，工况如下：
垂向加速度/g | 横向加速度/g | 纵向加速度/g | |
颠簸制动 | 1.7 | / | 1 |
转弯 | 1 | 0.6 | / |
表3 运行工况表
3.4 边界条件
为对比边界条件对计算结果的影响，将进行两种边界条件的加载，并对比相同的工况下，两种边界条件计算结果的差异，两种边界条件如下：
约束方式 | |
1 | 直接约束板簧主节点和前轮处主节点的所有自由度 |
2 | 模拟真实状况，按需约束主节点的平移自由度，释放所有约束点的旋转自由度，如图6所示 |
表4 边界条件
其中边界条件2的约束方式如下，其中1为纵向平移自由度，2为垂向平移自由度，3为横向平移自由度：
图6 边界条件2约束示意图
使用边界条件2的约束方式，既不会出现整体刚体旋转，同时释放了各约束节点的旋转自由度，并且允许各点之间相互靠近与远离，更符合车架实际工作时的边界条件。
两种边界条件下，载荷以同样的方式进行加载，首先创建三个方向的单位重力加速度GRVA卡片，如下图：
图7 单位重力加速度卡片（图示为垂向）
然后通过LOADADD卡片对各个方向的单位重力加速度进行组合以及缩放，得到各个工况的载荷如下：
图8 LOADADD卡片（图示为颠簸制动工况）
3.5 仿真分析结果
边界条件1颠簸制动工况计算结果如下：
图9 颠簸制动工况应力云图与位移云图
边界条件1转弯工况计算结果如下：
图10 转弯工况应力云图与位移云图
边界条件2颠簸制动工况计算结果如下：
图11 边界条件2颠簸制动工况应力云图与位移云图
边界条件2转弯工况计算结果如下：
图12 边界条件2转弯工况应力云图与位移云图
以上结果汇总如下：
工况 | 最大位移/mm | 最大应力/MPa | |
边界条件1 | 颠簸制动 | 0.62 | 89.3 |
边界条件1 | 转弯 | 1.1 | 110.8 |
边界条件2 | 颠簸制动 | 15.4 | 1307.5 |
边界条件2 | 转弯 | 10.8 | 852 |
表5 两种边界条件结果对比
由以上结果可知：
（1）两种边界条件的计算结果差异巨大，变形趋势以及应力分布也完全不同；
（2）以边界条件2的计算方式，最大应力远远超过材料屈服强度，结构设计不合理。
3.6 结构优化
从3.4节中边界条件2的分析结果可知，车架应力最大的位置出现在车架前方，如下图：
图13 颠簸制动工况应力集中位置
该处结构设计不合理，因此对结构进行加强设计。在车架主体结构中增加一根斜梁，加强后的结构如下：
图14 优化加强后的结构
对加强后的结构按照以上边界条件2的方式进行两个工况的仿真计算，结果如下：
图15 颠簸制动工况应力云图和位移云图
图16 转弯工况应力云图和位移云图
加强前后结果汇总如下：
工况 | 最大位移/mm | 最大应力/MPa | |
优化前 | 颠簸制动 | 15.4 | 1307.5 |
优化前 | 转弯 | 10.8 | 852 |
优化后 | 颠簸制动 | 2.2 | 221.5 |
优化后 | 转弯 | 2.4 | 209.2 |
表6 加强前后结果对比
由结果可知，新增斜梁对结构有明显的加强作用。加强前结构设计不合理，强度不合格，优化加强后，结构可满足强度要求。
注：由于得到的结果中最大应力已经低于屈服强度，因此后处理中未对结果中应力奇异点等结果无意义的点进行处理。
四、总结
四、总结
针对某方案设计阶段的三轮车车架进行了有限元仿真分析，并对比了不同边界条件对结果的影响，总结如下：
（1）有限元计算过程中，边界条件的处理很重要，对于某些计算，边界条件处理的不同结果可能相差甚远，因此在施加约束时，需要谨慎考虑。
（2）该车架的原设计方案存在较大的结构强度缺陷，经过优化后结构可满足强度要求。
