Recently the heavy truck industry has experienced a large push to develop vehicles with reduced cost and weight. This has been a major challenge for truck manu- facturers as they look for ways to optimize their vehicle designs without sacrificing durability or performance. Since the truck frame is a major component in the vehi- cle system, it is often identified for refinement. This paper outlines a computer aided engineering (CAE) procedure for analyzing changes to the truck frame and how these changes affect vehicle performance.
The frame of a heavy truck is the backbone of the vehicle and integrates the main truck component systems such as the axles, suspension, powertrain, cab, and trailer. The typical frame is a ladder structure consisting of two C channel rails connected by cross-members. The frame rails vary greatly in length and cross-sectional dimen- sions depending on the truck application. Likewise, the cross-members vary in design, weight, complexity, and cost. These variations will depend upon the cross-mem- ber purpose and location. Refer to Figure 1 for an illustra- tion of a truck frame. However, the effects of changes to the frame and cross-members are not well understood. For example, if the torsional stiffness of a suspension cross-member is lowered, what is the effect on the vehi- clersquo;s roll stability, handling, ride, and durability? Design engineers require answers to these types of questions to guide them in their work. In particular, a concurrent design and analysis procedure is required so that new designs can be quickly evaluated.
In the last twenty years there has been an enormous growth in the development of CAE tools for automotive design. Much of this technology has been adopted by the truck industry as truck manufacturers look to improve their designs in a rapidly growing market. Today structural design is typically performed using two CAE tools: finite element analysis (FEA), and multi-body system simulation (MSS). These are combined with computer aided design (CAD) software to improve design and analysis communication.
CAD – In the last fifteen years CAD systems have replaced drawing boards as the method of choice for design. They enable designers and engineers to quickly create realistic models of truck components, vehicle assemblies, and design drawings for manufacturing. Advanced CAD systems are rich in features such as parametric solid modelling and large assembly manage- ment. They have evolved to become major databases for engineering information. In particular, CAD systems pro- vide important data for downstream CAE applications
FEA – Finite element analysis is usually used by engi- neers to study the strength of structural components. Typical FEA activity is focused on analyzing structural stresses, deflections, and natural frequencies. The analy- sis begins with a discretized representation of a structure known as a mesh. The mesh is composed of nodes and elements and is often created with geometry from a CAD system. The nodes represent points on the structure where displacements are calculated. The elements are bounded by sets of nodes and enclose areas or volumes. They define the local mass, stiffness, and damping prop- erties of the structure. Equations relating these quantities to the nodal displacements are automatically developed by the software codes. Other inputs, such as boundary conditions, applied loads, and material properties, must be defined by the user. Each of these quantities requires careful judgement for meaningful results to be achieved. Results post-processing includes images of deformed structures under load, coloured stress contours, and mode shape animations.
MSS – Multi-body system simulation is used to study the motion of components and assemblies and is often used to study a vehicle suspension or a vehiclersquo;s handling and ride response. A typical MSS model of a full vehicle will be composed of rigid bodies (wheels, axles, frame, engine, cab, and trailer) connected by idealized joints and force elements. The MSS code automatically develops the non-linear differential and algebraic equations that define the motion of the bodies in the model. The equa- tions are numerically integrated to produce time histories of rigid body displacements, velocities, accelerations, and forces. Results are viewed as graphs and animations of the system motion. As with FEA, CAD data is often used to develop a MSS model. Geometry data from a CAD assembly is used to establish the layout of the MSS model such as the location of joints and force elements. CAD solid model data is also used to estimate the loca- tion of the center-of-mass and the inertial properties of each rigid body. Forces acting on a rigid body from a MSS can be used as input loads to a finite element anal- ysis to determine the structural stresses in that rigid body.
The CAE tools discussed in this paper include Pro/Engi- neer for CAD, ANSYS for FEA, and ADAMS for MSS. The following discussion references the specific capabilities of these codes in developing a customized environment for the engineering analysis of truck frames.
As described above, the current offering of CAD and CAE tools provide a great deal of integration. Nonetheless, these tools are very general in scope and a significant customization effort is required for the analysis of heavy- duty trucks and truck frames. To fully understand how changes to the truck frame impact vehicle handling, roll stability, ride, and durability requires a detailed MSS model that can simulate all these effects. Using the ADAMS software code such a model was developed at Western Star Trucks.
The rigid bodies include the frame, cab, axles, wheels, engine, hood, radiator, leaf springs, suspension arms, drive shafts, and the trailer. Mass properties for many of these bodies were estimated using simplified solid mod- els in Pro/Engineer.
The force elements include linear and non-li
最近，重型卡车行业大力推动开发具有降低的成本和重量的车辆。这对卡车制造商来说是一项重大挑战，因为他们寻求在不牺牲耐用性或性能的情况下优化车辆设计的方法。由于卡车车架是车辆系统的主要部件，因此通常会对其进行细化。本文概述了用于分析卡车车架变化以及这些变化如何影响车辆性能的计算机辅助工程（CAE）程序。
重型卡车的车架是车辆的主干，并集成了主要的卡车组件系统，如车轴，悬架，动力总成，驾驶室和拖车。典型的框架是梯形结构，由两个由横向构件连接的C形通道轨道组成。根据卡车的应用，车架导轨的长度和横截面尺寸差异很大。同样，横梁的设计，重量，复杂性和成本也各不相同。这些变化将取决于跨成员的目的和位置。然而，对框架和横梁的变化的影响还不是很清楚。例如，如果悬架横梁的扭转刚度降低，那么对车辆的侧倾稳定性，操纵性，乘坐性和耐久性有何影响？设计工程师需要回答这些类型的问题，以指导他们的工作。特别是，需要并行设计和分析程序，以便快速评估新设计。
过去的二十年中，CAE汽车设计工具的开发取得了巨大的发展。由于卡车制造商希望在快速增长的市场中改进他们的设计，因此大部分技术已被卡车行业采用。今天，结构设计通常使用两个CAE工具执行：有限元分析（FEA）和多体系统模拟（MSS）。它们与计算机辅助设计（CAD）软件相结合，以改善设计和分析通信。
CAD-过去的十五年里该系统取代绘图板作为设计的首选方法。它们使设计师和工程师能够快速创建卡车部件，车辆组件和制造设计图纸的真实模型。高级CAD系统具有丰富的功能，如参数化实体建模和大型装配管理。它们已经发展成为工程信息的主要数据库。特别是，CAD系统为下游CAE应用程序提供重要数据
有限元分析 - 工程师通常使用有限元分析来研究结构部件的强度。典型的FEA活动侧重于分析结构应力，挠度和固有频率。分析从称为网格的结构的离散化表示开始。网格由节点和元素组成，通常使用CAD系统中的几何体创建。节点表示结构上计算位移的点。元素由节点集限定并包围区域或体积。它们定义了结构的局部质量，刚度和阻尼特性。通过软件代码自动开发将这些量与节点位移相关联的方程。其他输入（例如边界条件，应用载荷和材料属性）必须由用户定义。这些数量中的每一个都需要仔细判断才能获得有意义的结果。结果后处理包括负载下变形结构的图像，彩色应力轮廓和模式形状动画。
MSS - 多体系统仿真用于研究部件和组件的运动，通常用于研究车辆悬架或车辆的操纵和驾驶响应。整车的典型MSS模型将由通过理想关节和力元件连接的刚体（车轮，车轴，车架，发动机，驾驶室和拖车）组成。 MSS代码自动开发非线性微分和代数方程，用于定义模型中物体的运动。这些方程在数值上相互整合，以产生刚体位移，速度，加速度和力的时间历程。结果被视为系统运动的图形和动画。与FEA一样，CAD数据通常用于开发MSS模型。来自CAD装配的几何数据用于建立MSS模型的布局，例如关节和力元素的位置。 CAD实体模型数据还用于估计质心的位置和每个刚体的惯性特性。作用于MSS刚体的力可用作有限元分析的输入载荷，以确定刚体中的结构应力。本文讨论的CAE工具包括用于CAD的Pro / Engine，用于FEA的ANSYS和用于MSS的ADAMS。以下讨论参考了这些代码在为卡车车架进行工程分析开发定制环境时的具体功能。
如上所述，当前提供的CAD和CAE工具提供了大量集成。尽管如此，这些工具的范围非常广泛，重型卡车和卡车车架的分析需要大量的定制工作。要完全了解卡车车架的变化如何影响车辆操纵，侧倾稳定性，驾驶和耐久性，需要详细的MSS模型来模拟所有这些效果。使用ADAMS软件代码，这种模型是在Western Star Trucks开发的。
刚体包括框架，驾驶室，车轴，车轮，发动机，发动机罩，散热器，板簧，悬架臂，驱动轴和拖车。使用Pro / Engineer中的简化实体模型估算了许多这些物体的质量属性。
力元件包括线性和非线性套管元件，用于模拟橡胶隔离器，例如驾驶室和发动机支架。非线性单分力用于模拟空气弹簧和减震器。这些元素的属性数据来自组件供应商执行的测试。旋转接头和球形接头分别用于模拟连接点，例如车轮轴承和扭矩杆枢轴。 Pro / Engineer组件用于确定这些元素的几何位置。
于重型卡车行业提供了各种各样的车辆布局，因此许多卡车子系统的位置都是参数化的，以便于修改。例如，前轴子组件（车轮，车轴，板簧和减震器）连接到限定前轴纵向位置的变量。使用这种技术，可以通过更改此变量的值来快速开发具有不同前轴位置的卡车模型。对于以下子组件，此程序是重复的：后悬架，驾驶室，发动机，拉杆，引擎盖，以及第五轮和拖车。
轮胎与道路接触由ADAMS内置轮胎程序处理，包括轮胎处理和耐久力的模型。在ADAMS中，道路轮廓表示为类似于有限元网格的三角形网格。道路剖面的几何和网格由Pro / Engineer生成。然后使用自定义软件程序将网格转换为ADAMS的两个文件：解算器的道路文件格式，用于确定轮胎/道路交互力，以及用于在后处理动画期间查看道路的图形格式。这些文件存储在公共目录中以便于检索。
开发了定制控制算法来控制车辆速度，转向和驱动扭矩。这些功能可以快速修改，以执行不同的车辆操作，例如侧倾稳定性，高速车道变换或类似于试验场的耐久性颠簸。
模拟运行后，作用在框架上的力和扭矩将写入数据文件。然后使用自定义软件程序在特定时间步骤提取负载并将其写入ANSYS加载文件。然后将加载文件读入ANSYS并应用于框架的有限元模型。然后使用惯性释放溶液计算框架应力。
总之，该模型使用自定义软件例程以及CAD和CAE代码之间的现有链接来创建自定义环境，以评估重型卡车的性能和耐用性。然而，该模型假设卡车车架是刚性的，不可变形的车身。实际上，卡车车架具有很大的灵活性，可以影响车辆性能和稳定性。因此，必须在多体系统模拟中捕获这些效果。过去，已采用多种技术来捕获MSS模型中的框架灵活性。三种流行的方法是：衬套，无质量梁元件和FEA超单元减少。在第一种方法中，框架被分成两个或多个刚体，这些刚体通过具有类似衬套特性的力元件连接在一起：在三个平移方向和三个旋转方向上的刚度和阻尼。调整衬套属性以提供整体框架弯曲和扭转刚度。可以预料，这种方法使用起来很麻烦，如果调整得当，它只能捕获框架的基本弯曲和扭转模式。
在第二种方法中，框架被分成大量通过无质量梁元件互连的刚体。这与套管方法类似，但通常使用更多的刚体，它们与无质量梁单元连接，其方程式（Timoshenko梁理论）更适合于对卡车车架纵梁和横梁进行建模。尽管如此，使用这种方法构建框架仍然是耗时的，并且仍然需要仔细调整梁元件来捕获框架的弯曲响应。
第三种方法是三种方法中最准确的方法，并且基于框架的有限元表示。在该方法中，有限元模型被简化为超单元表示，其中整体刚度和质量属性被压缩到一组主节点。根据原始有限元模型检查简化模型，以确保仍然捕获重要的框架动力学。然后将其导入MSS环境，在该环境中，超级元素和主节点将转换为刚体和力元素的等效表示。虽然这种方法基于有限元解决方案，但仍然难以获得准确的结果。例如，在选择主节点时必须小心，以确保质量和刚度冷凝过程准确。
上述所有方法都难以用于创建卡车车架的精确灵活模型。通常，它们只能捕获基本的框架响应：前几个弯曲和扭转模式以及总框架刚度。如果要使用每种方法，则需要付出巨大努力来调整其属性以匹配某些参考，例如静态偏转测试，模态测试或有限元模拟结果。因此，这两种方法都不适用于并行设计和分析环境 - 对模型进行更改只需要很长时间，并且没有足够的空间分辨率来捕获帧的细微设计更改。
FEA和MSS集成的最新进展克服了上述方法中的困难。现在可以使用称为组件模式合成（CMS）的模态叠加技术在多体仿真中直接使用有限元模型。
使用模态叠加，结构的变形可以通过其每种模式的贡献来描述。通常，需要非常多的模式来精确地捕获在对结构施加约束的点处的变形。开发CMS是为了缓解这个问题。它将正常模式与约束模式相结合。这些约束模式或静态形状捕获结构的关键区域的变形，而不必维持过多的正常模式。因此，它们在计算上更有效率。
ADAMS代码中采用的CMS程序基于Craig-Bampton方法的修改版本。在该方法中，结构被认为具有应用约束和力的界面点，并且每个界面点可以具有多达六个自由度：三个平移和三个旋转。然后通过两组模式的组合来描述结构的运动：接口点的约束模式和固定接口正常模式。为界面点的每个自由度计算约束模式，并且当该自由度被给予单位偏转同时保持所有其他自由度时，它描述结构的静态形状。界面点固定。重复该过程以为所有接口点开发一系列约束模式。由于约束模式是静态形状，因此它们的频率信息是未知的。当所有接口点的所有自由度保持固定时，固定的接口正常模式表示整个结构的正常模式。
在这种形式中，Craig-Bampton模式不适合与多体运动方程的积分。例如，约束模式添加与ADAMS非线性刚体运动冲突的刚体模式。而且，约束模式可能包含难以解决的高频。在ADAMS实现中，通过正交化Craig-Bampton模式来处理这些问题。这标识了刚体模式，使其易于禁用。它还将频率信息添加到约束模式，这对于在多体仿真期间设置积分参数很有价值。在正交化之后，存在一组修改的模式：无约束结构的正常模式（类似于在典型的FEA特征值运行中计算的类似自由的模式）和界面自由度。有关此方法的完整描述，请参见Ottarsson [3]。
上述所有模态计算均在ANSYS环境中进行，并在框架的有限元模型上执行。为了计算模式，用户选择表示力和约束进入框架的界面点的节点，然后运行执行相应ANSYS命令的宏。要包含在计算中的正常模式的数量作为参数传递给宏。最后一组模式被写入可由ADAMS读取的模态中性文件（MNF）。
这种模态叠加方法的优点很多，包括：
bull;框架由单个模态中性文件表示。因此，在其他MSS模型中重用框架非常容易。这些文件可以存储在公共目录中以供存档和将来使用。
bull;在MSS模型中，框架表示为单个柔性体，而不是大量刚体。这使得操作模型中的框架变得更加容易。
bull;每个灵活的身体模式只为模拟增加了一个自由度。以前的方法增加了更多的自由度，因为它们使用了大量的刚体，并且每个都增加了六个自由度。
bull;框架模型的线性，灵活特性更加准确，因为它们基于完整的有限元模型，而不是刚体和力元素的集合。这使得调整模型更容易与模态测试结果一致。
bull;以模态为基础添加阻尼。因此，阻尼来自模态测试c
虽然这种方法有许多优点，但实施起来仍然很费时间。例如，当它是MSS环境时，并非所有关节和力元素都支持直接连接到框架网格。这些必须首先连接到无质量的刚体，然后使用固定接头锁定到网格的节点，这些接头消除了无质量刚体所增加的自由度。由于卡车车架在MSS模型中可以具有36个或更多个连接点，因此连接柔性框架可能非常耗时。此外，如果现有的柔性框架需要用新的框架替换以评估设计变更，则需要更多的建模工作，并且引入建模错误的可能性很大。
为了克服这个困难，开发了定制程序以将灵活框架集成到车辆模型中。该过程始于带有刚性框架的整车模型。一份副本制作模型，然后执行一系列宏程序，在副本上执行以下任务：
bull;阅读柔性体模态中性文件，并将柔性体定位在车辆模型中。
bull;在力和约束应用于柔性体的每个节点处创建并连接无质量刚体。
bull;修改与框架现有刚体的所有连接，以便它们连接到适当的无质量刚体。
bull;删除先前表示框架的刚体。
在典型分析中，将以刚性框架作为基线运行模拟，然后在导入柔性框架后重复进行。研究两者的结果以了解框架的灵活性的影响。然后制作具有刚性框架的模型的另一副本，并将其转换为具有不同的柔性主体（将不同的模态中性文件读入建模数据库）。这种新的柔性体将进行一些需要评估的设计变更，例如新的横梁。重复相同的模拟并比较所有结果。
通过这个过程，大大减少了向模型添加灵活框架的负担。例如，将具有刚性框架的模型转换为具有灵活框架的花费不到一分钟。因此，此过程非常适用于并发设计和分析
为了使这些方法有效地工作，必须容易地创建和修改框架的有限元模型以反映设计者所需的变化。这里采用的方法始于框架导轨的Pro / Engineer实体模型组件
每个组件的实体模型都是专门为有限元分析网格创建的，因此是实际设计的简化版本。使用名为Pro / MESH的Pro / ENGINEER附加模块创建有限元网格。它包含简化有限元网格划分的功能，例如自动确定壳单元的中平面位置，应用全局和局部网格控制以及定义元素属性。根据要求，将创建一个壳，梁和质量元素网格，以反映当前的CAD模型配置。
在Pro / ENGINEER环境中创建网格有许多优点。例如，对实体模型的更改会自动反映在网格中。因此，框架导轨几何形状的变化或横梁的位置可以快速啮合并输出到ANSYS。同样，代表螺栓连接的梁元件在组件移动到新位置时跟随组件。也可以抑制子组件（例如横向构件），使其不包含在网格中。这使得打开和关闭不同的横梁设计非常容易，并且可以开发每种配置的网格。
创建网格后，将其读入ANSYS，并运行自定义宏，重新编号最终将在ADAMS中应用力和约束的节点。这可确保始终使用相同的节点编号。然后选择用于约束模式计算的节点，并创建ADAMS的模态中性文件。然后该文件准备好输入到ADAMS模型
如前所述，ADAMS模拟载荷传递给ANSYS，应力作用于有限的
还开发了一种子模型方法，以便可以更准确地计算跨构件应力。首先，在与用于ADAMS的相同粗略有限元模型上执行有限元分析。然后使用ANSYS中的自定义宏读取结果并从梁单元中提取力和力矩，这些梁表示框架导轨和横梁之间的螺栓连接。然后将这些应用于单独的横梁的详细有限元模型。使用ANSYS RBE3元素应用螺栓力，ANSYS RBE3元件配置为将螺栓载荷分配给可能的节点在两个配合部件的螺栓头下面。 同样，这是通过自定义宏实现的，并在几分钟内完
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