车架作为卡车的主要承载部件,连接和支撑着各总成,承受着外界施加的各种载荷。因此,其性能的好坏直接关系到整车设计的成败。随着计算机技术的发展、数值分析理论和优化设计理论的完善,利用有限元的方法对车架的静动态特性进行较为准确的分析,并根据分析结果对车架结构进行优化设计已成为提高整车各项性能、降低设计与制造成本、增强市场竞争力的重要手段。车架结构的静动态特性分析已经发展得比较成熟,但结构优化技术还停留在仅考虑单工况单目标的阶段。卡车车架承受载荷繁多、典型工况复杂、性能要求严格,过于简单的优化模型不能准确地描述符合工程实际的优化问题。同时,拓扑优化、形状优化和尺寸优化虽然已经广泛用于车架结构设计中,但综合使用各种优化方法的研究较少。论文首先合理简化了车架的边界条件及承受的载荷,利用有限元软件Hyper Works建立了原车架的有限元模型,选择了卡车车架最为典型的四种工况进行了静动态响应分析。分析结果表明:原车架静态强度、刚度满足设计要求,并有较大安全裕度,存在轻量化设计的空间;原车架在自由状态下前三阶非零固有频率处于路面载荷激振频率范围内,容易发生共振,不满足设计要求。针对原车架模态频率处于共振频率范围的缺陷,提出了符合车架实际工作情况的多目标拓扑优化方案。利用折衷规划法和平均频率公式分别建立了以多工况刚度最大和前三阶非零固有频率最大为目标的多目标拓扑优化数学模型。利用多级容差序列法对多目标优化问题进行了分级处理,讨论了容差系数选取的不同对各级目标函数及车架最终拓扑构型的影响。优化结果表明:①平均频率目标函数和柔度目标函数是相互制约的,柔度目标函数变优会导致平均频率目标函数变差;②选取较小容差系数时,第一级目标函数优化效果显著;反之,第二级目标的优化效果则更显著;③容差系数取值的不同会影响车架最优拓扑构型中横梁的数目、形状及相对位置。利用多目标拓扑优化得到车架构型的前三阶非零固有频率能避开共振频率范围。根据多目标拓扑优化的结果,参考同类型车的设计方案,确定了新车架横梁数目、形状及相对位置;利用板壳单元建立了新车架的有限元模型,以车架纵梁及各横梁的厚度为设计变量,利用尺寸优化对其进行了轻量化设计。与原车架相比,在强度与刚度不低于设计要求、前三阶非零频率避开了共振频率段的前提下,车架总质量减少698.62kg,轻量化效果明显。论文形成了一套完整的利用有限元方法分析车架静动态特性并综合使用拓扑优化与尺寸优化提高结构性能、实现轻量化的技术流程和研究思路,对相关研究有一定的指导作用和参考价值。