节能环保、电动化、国家标准及法规和客户对商用车车重提出了更高的要求,促使了商用车轻量化技术的研究和发展,以寻求更有效的轻量化方案。车架通常占到商用车整备质量的10%左右,所以车架轻量化对于整车减重有相当大的贡献。本文针对商用卡车边梁式车架轻量化的难题,首先通过仿真分析得到车架的强度、刚度和模态特性,然后对车架各部件的材料和结构进行优化设计,在保证基本性能指标的基础上,使用铝材代替部分钢材,得到的钢铝结合车架质量显著降低12.2%。本文主要内容如下:首先,为研究车架的模态特性,在Hyper Mesh中构建其有限元模型,并通过Opti Struct模块分析其自由模态,校验其固有频率是否与路面激振频率和发动机怠速频率及工作频率重叠。最后进行车架模态试验以确定建立的有限元模型的准确性。其次,针对车架静力学计算中的动载系数常以经验值为主,导致动载荷不准确的问题。为提高其准确性,本文在ADAMS/CAR中构建车架为柔性体的商用车整车刚柔耦合多体动力学模型,以提取商用车在满载前轴扭转、满载后轴扭转、满载紧急转向和满载紧急制动四种极限工况下车架受到的动载荷峰值,结果表明仿真值与经验值存在较大差别,经验值不够准确。然后,为研究车架在不同极限工况下的强度和刚度特性,将多体动力学分析提取到的动载荷峰值加载到车架有限元模型中,并根据工况的不同施加对应的约束,利用Opti Struct计算得到车架的强度和刚度,为后续车架钢-铝材料混合优化和结构优化提供基础。结果表明四种工况下,相比车架纵梁后端,纵梁前端的强度存在较大的余量,后续可将纵梁分成前后两部分进行优化,形成更符合工程实际需求的变截面梁的形式。最后,基于模态和四种工况下的应力计算结果,在Hyper Study中,以质量、各工况的强度以及固有频率为响应,部件的厚度和材料为设计变量,建立车架的优化模型。相比于传统优化过程中只考虑某单一工况,兼顾四种工况下的应力和模态的分析结果可充分提高优化设计的质量。为提高优化计算的效率,在优化前进行拉丁超立方法试验设计,根据Pareto图确定对响应产生较大影响的设计变量。然后从中选取合适的设计变量参与优化计算,优化目标为质量最小化,约束条件为多个工况的最大应力和第五阶固有频率,采用自适应响应面法对车架进行尺寸和钢-铝材料优化。最终将优化方案应用于车架,并校验其强度、刚度和模态。分析结果表明,钢铝结合的车架在保证强度、刚度和模态特性的前提下,明显提高车架的轻量化水平,最终使本文研究的车架减重12.2%。