全地形车车架结构设计优化研究现状分析

尤海波，沈晓峰（通讯作者），徐伟胜，周 敏

（苏州大学应用技术学院 江苏 苏州 215325）

1 引言

全地形车是一种全新概念的新车型，可以在各种地形下平稳行驶。车架是整车平稳行驶，达到安全、可靠和舒适等各个方面要求的主要设计部件。车架的设计与改进方法的不同，所需要的模拟测试及实验时间也大不相同，通过不同角度的分析可以大大减少研发时间，提高了研发效率。

全地形车最初被应用于外太空或极端气候地区的勘探，无人全地形车的诞生奠定了现在市场上四轮驱动全地形车的基础。北京航空航天大学机器人研究所的张韬懿等[1]研究分析了6X6驱动和滑移转向模式，设计实现了一种全地形地盘，通过对基于UGV平台结构及驱动方式的分析与测试，发现此种基于6X6独立驱动模式结合差动转向模式的UGV相比于传统越野车辆具备更好的通过能力和地面适应性，同时具备了更高的机动性。哈尔滨工业大学的董玉红等为实现新型六圆柱圆锥轮式月球探测原理车的运动控制，基于运动约束方程，建立了月球车的劳斯方程，基于模型的车轮计算力矩，通过MATLAB/Simulink对月球车的控制进行了仿真分析，得到了可以通过改变控制器的两个参数来达到较高精度的车轮位置与速度跟踪。

2 全地形车车架有限元分析

全地形车车架模型的建立可以通过多种三维绘图软件绘制，但因其中部分部件对车架总质量变化影响不大，所以对其进行简化，使用HyperMesh等软件对车架进行有限元网格分化，各个连接点依旧使用壳单元处理，这样可以更加接近车架受力的真实状态。

在车架有限元模型建立方面，余烽等[2]利用ADAMS软件对全地形车建立了刚柔耦合模型，通过对整车振动舒适性的仿真分析与试验，确定了其建立的多体动力学模型基本正确，可在全地形车的改进阶段预测整车的振动舒适性。常州工学院的陈阳利用ANSYS Workbench有限元平台对重型汽车悬架承受最大载荷情况时应力应变场量进行了数值分析，所得到的重型汽车悬架应力场及模态可为悬架设计提供可靠的理论依据。对于减振的研究，上海交通大学的赵艳娥等，尝试采用轮毂电机的多轮驱动方式，通过对其做垂向振动特性研究与减振机构弹簧刚度与阻尼的优化分析，改进轮毂电机结构，为轮毂电机驱动型电动汽车设计提供参考。

学者们不仅对振动舒适性进行了研究，还对车架的刚度和强度进行有限元分析和疲劳寿命测试。中北大学的赵耀虹等用Pro/E对全地形车的车架进行实体建模，应用其有限元模块，对实体模型进行应力、变形分析和模态分析，为全地形车的优化设计和进一步研究提供了理论依据。最后验证其设计满足强度和刚度要求，但部分区域存在应力集中，工艺应作改进。重庆理工大学的明显诚等对全地形车车架在ANSYS环境中建立了有限元模型，并进行了静态工况下车架承载能力的应力应变分析，根据不同部分的受力特性及测试出现的断裂、裂纹问题，增大后减振器安装位置管子厚度，通过增加弯梁支撑结构，对比后验证其结构改进的有效性与实用性。

基于有限元模型的动态分析，张志飞等针对全地形车车体的结构动态特性进行分析，从有限元基本原理出发，通过模拟仿真将复杂形体简化，利用该方法既能节约成本，又能改善产品的结构性能，为产品的设计或改进提供参考依据。江苏大学的朱茂桃等通过对全地形车车架进行动态性能的研究和对其建立的模型进行有限元分析及模态分析，经过对比分析及道路试验，结果表明选择橡胶减振可以大大提高行驶的安全性，有利于提高车架的疲劳寿命，具有较好的减震效果，具有可行性。

3 全地形车的改进与优化

全地形车的改进可以是结构上的，也可以是材料上的重新选择，甚至可以是通过不同的分析角度来节省研发时间。重庆大学的徐中明[3]等通过实验法和解析法，分析改型前后车架固有特性，结合全地形车所受激励频率范围，避免共振，保证了全地形车改性后的性能要求，缩短了研发时间，提高了研发效率。江南大学的许佩霞等利用ANSYS软件对全地形车车架结构进行了静动态有限元分析，得到了车架应力分布情况。通过车架结构的优化设计，减轻了车架质量，提高了车架的可靠性。这是根据经验选择优化过程中的设计变量来实现的结构优化。

不仅是在全地形车车架结构上优化，全地形车的驻车锁止机构的优化也是极为重要的。朱华[4]通过驻车锁止原理，对全地形车的驻车锁止机构进行研发与结构设计，在普通全地形车四个档位的基础上，增加了驻车档。通过多次耐久试验，证明该机构性能可靠，使用安全，当处于驻车状态时发动机输出轴被锁止。王峰等[5]基于林海200ATV型号全地形车,为了避免驾驶时全地形车误换挡造成发动机变速箱损伤而设计了一款外置式换挡锁止机构，经过多次实验和市场反馈，相较于传统变速箱换挡限位机构，提高了驾驶的安全性。

4 全地形车的轻量化设计

随着全地形车越来越受到人们的关注，对其车辆整体质量的减轻也越发关键。重庆理工大学的娄威振等利用HyperMesh对某全地形车车架结构建立有限元模型，并分析得到了其在多种工况下的应力分布和变形情况，校核车架强度、刚度均有富余后，对车架进行了自由无约束状态下的模态分析，在保证车架安全性的前提下，达到了轻量化的目的，同时也验证了尺寸优化在结构优化上的有效性。重庆交通大学的杜子学等利用CATIA建立了全地形车的车架三维模型，对其进行了应力和变形分析，以及模态分析，对全地形车车架的强度和刚度进行了有限元分析，车架存在的应力集中和刚度小，通过增加横梁的横截面面积和改进连接方式，增大横梁与纵梁的接触面积，保证了全地形车构建的使用寿命和操纵稳定性。

不仅从模态分析能达到轻量化的目的，根据经验选择优化过程中的设计变量也能来实现轻量化。蔡炳芳等人是根据经验减小车架厚度从而达到轻量化的目的。还有根据不同的角度分析达到轻量化的目的，重庆理工大学的陈旭[6]等利用有限元处理软件HyperMesh建立了全地形车车架结构的有限元模型，通过Optistruct分析车架多种工况下的应力分布和变形情况，在满足强度和刚度条件下，利用灵敏度分析结果选择设计变量可以提高优化设计效率。根据优化后车架的强度分析和疲劳寿命结果验证了优化的有效性，灵敏度分析也被确定是优化设计过程中设计变量的一种有效方法。

5 结语

为了达到全地形车优化结构、轻量化的目的，方法众多。文中介绍了学者们从全地形车的建模到实现结构优化的方法，均有各自的优势或者是特点。就国内目前全地形车的市场而言，凭借全地形车自身的优势，通过对其不断地改进，在未来有很大的发展前景。还有很多有待改进的方式方法也会在未来不断地优化，具有很高的研究价值。

[1]余烽,徐中明,张志飞.基于ADAMS的全地形车整车振动舒适性仿真分析[J].机械设计与研究, 2015,2（31）：160-163.

[2]余烽,徐中明,张志飞，等.全地形车车体结构动态特性有限元建模[J].机械设计与研究,2013,6（29）：125-127.

[3]王峰,黄涛,贾磊.全地形车外置式换挡锁止机构设计[J].林业机械与木工设备,2016,10（44）：33-34.