基于联合IHHO算法的车架轻量化研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.05.019

摘要/Abstract

摘要：

提出一种联合IHHO算法的优化方法，对桁架式清雪车车架进行轻量化研究。首先，构建了车架的有限元仿真模型，在多种工况下对其强度、刚度、模态进行定量分析，得其强度性能、刚度性能及固有频率。其次，利用响应面法以最大变形量和最大应力为响应值，优化车架各梁截面尺寸，得到3组最优解。在此基础上，对HHO算法进行改进，提出IHHO算法，采用IHHO算法验证最优解的有效性。优化结果表明，车架整体质量减轻33.6%，最大变形量减小6.33%，最大应力增加3.01%，1阶模态频率降低19.48%，有效避开了共振范围。本研究为桁架式车架的轻量化设计提供了一种高效、可行的优化策略，该方法在模型构建和获取准确估算结果方面具有显著优势，为相关领域的工程应用提供理论参考。

关键词: 桁架式车架, 轻量化研究, 有限元仿真, 响应面法, IHHO算法

Abstract:

An optimization method incorporating the Improved Harris Hawks Optimization （IHHO） algorithm is proposed for the lightweight research of a truss-type snowplow frame. Firstly， a finite element simulation model of the frame is constructed， and its strength， stiffness， and modal characteristics are quantitatively analyzed under various working conditions to determine its strength performance， stiffness performance， and natural frequencies. Subsequently， the Response Surface Methodology is employed， using maximum deformation and maximum stress as response variables， to optimize the cross-sectional dimensions of the frame beams， yielding three sets of optimal solutions. On this foundation， the IHHO algorithm is proposed by improving the HHO algorithm， and the effectiveness of the optimal solutions is verified using the IHHO algorithm. The optimization results show that the overall mass of the frame is reduced by 33.6%， with the maximum deformation decreased by 6.33%， the maximum stress increased by 3.01%， and the first-order modal frequency decreased by 19.48%， effectively avoiding the resonance range. This study provides an efficient and feasible optimization strategy for the lightweight design of truss-type frames. The method demonstrates significant advantages in model construction and obtaining accurate estimation results， offering theoretical references for engineering application in related fields.

Key words: truss frame, lightweighting research, finite element simulation, response surface method, IHHO algorithm

马春龙,夏文俊,李胜国,郭言语,苏清源. 基于联合IHHO算法的车架轻量化研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(5): 992-1006.

Chunlong Ma,Wenjun Xia,Shengguo Li,Yanyu Guo,Qingyuan Su. Research on Vehicle Frame Lightweight Based on the IHHO Algorithm[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(5): 992-1006.

图/表 34

图1

表1

表2

表3

图2

表4

图3

图4

图5

表5

图6

图7

表6

图8

图9

表7

表8

图10

图11

表9

表10

图12

图13

图14

表11

表12

图15

表13

表14

表15

图16

图17

图18

图19

参考文献 28

1	金红杰，周忠胜，臧利国，等.基于实测载荷谱的车架结构仿真优化方法及应用［J］.振动与冲击，2023，42（1）：181-189.
	JIN H J， ZHOU Z S， ZANG L G， et al. Simulation and optimization method of vehicle frame structure based on measured load spectrum and its application［J］. Journal of Vibration and Shock， 2023， 42（1）： 181-189.
2	范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展［J］.汽车安全与节能学报，2014，5（1）：1-16.
	FAN Z J， GUI L J， SU R Y. Research and development of automotive lightweight technology［J］. Journal of Automotive Safety and Energy， 2014， 5（1）： 1-16.
3	赵帅，隰大帅，王世朝，等.FSAE赛车车架的强度和刚度分析［J］.计算机辅助工程，2011，20（4）：53-56.
	ZHAO S， XI D S， WANG S C， et al. Strength and stiffness analysis on FSAE racing car frame［J］. Computer Aided Engineering， 2011， 20（4）： 53-56.
4	ZHANG J， DENG Y， ZHENG B， et al. Lightweight design of low-load electric vehicle frame［J］. Journal of Computational Methods in Sciences and Engineering， 2020， 21（3）：1-11.
5	MA W Y， LU Y H， WANG P Y， et al. Double optimization design of the formula racing car frame based on the variable density method and the joint variable method［J］. Applied Sciences， 2023， 13： 10155.
6	吴钟鸣，徐礼辉，郭语.小型电动汽车车架的设计与轻量化改进［J］.现代制造工程，2020（4）：77-82.
	WU Z M， XU L K， GUO Y， et al. Design and lightweight improvement of small electric vehicle frame［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2020（4）：77-82.
7	于玉真，李伟亮，李励.微型电动汽车车架结构轻量化设计研究［J］.现代制造工程，2019（1）：75-81.
	YU Y Z， LI W L， LI L. Research on lightweight design of the frame structure for micro electric vehicles［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2019（1）：75-81.
8	付为刚，程文明，于兰峰，等.正轨箱梁横向肋的竹子结构仿生学设计［J］.西南交通大学学报，2013，48（2）：211-216.
	FU W G， CHENG W M， YU L F， et al. Bionics design of transverse stiffener in the upright rail box girder based on bamboo strucure［J］. Journal of Southwest Jiaotong University， 2013，48（2）：211-216.
9	李兴山，乔捷，李明昊.仿生机器鱼框架机构动力学分析与轻量化设计［J］.机械强度，2023，45（5）：1199-1204.
	LI X S， QIAO J， LI H M. Dynamics analysis and light- weight design of bionic robotic fish frame mechanism［J］. Journal of Mechanical Strength， 2023，45（5）：1199-1204.
10	丁友，周洲，刘红军，等.基于基结构法的机翼仿生曲面网格结构设计［J］.西北工业大学学报，2022，40（2）：271-280.
	DING Y， ZHOU Z， LIU H J， et al. Designing bionic surface grid structure with base structure method［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University，2022，40（2）：271-280.
11	张健，谢禹琳.某微型电动商用车车架轻量化优化研究［J］.机电工程，2020，37（3）：283-287.
	ZHANG J， XIE Y L. Optimization of lightweight frame for a micro-electric commercial vehicle［J］.Journal of Mechanical＆Electrical Engineering， 2020，37（3）：283-287.
12	顾方秋，苏小平，缪小冬.某半挂车车架性能分析及结构优化设计［J］.重庆理工大学学报（自然科学），2022，36（7）：94-101.GU F Q， SU X P， MIU X D. Performance analysis and structural optimization design of a semi-trailer frame［J］. Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science）， 2022，36（7）：94-101．
13	LIU F， XU Y L， LI M， et al. Optimization of automotive battery pack casing based on equilibrium response surface model and multi-objective particle swarm algorithm［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2023，237（6）：1183-1194.
14	XU T， YANG J L， ZHU L L， et al. Lightweight design optimization of nonpneumatic tires under radial-stiffness constraints［J］.Machines，2022，10（10）：889-889.
15	JIANG R C， CI S K， LIU D， et al. A hybrid multi-objective optimization method based on NSGA-II algorithm and entropy weighted TOPSIS for lightweight design of dump truck carriage［J］. Machines， 2021， 9： 156.
16	CHENG L， LIN H B， ZHANG Y L. Optimization design and analysis of mobile pump truck frame using response surface methodology［J］. PLoS ONE， 2023， 18（8）： e0290348.
17	马芳武，王卓君，杨猛，等.汽车后副车架轻量化概念设计方法研究［J］.汽车工程，2021，43（5）：776-783，790.
	MA F W， WANG Z J， YANG M， et al. Research on light-weight conceptual design method of vehicle rear subframe［J］. Automotive Engineering， 2021，43（5）：776-783，790.
18	陈静，崔晓凡，郑晋军，等.基于加点多目标粒子群算法的碳纤维防撞梁优化设计［J］.湖南大学学报（自然科学版），2022，49（8）：21-28.
	CHENG J， CUI X F， ZHENG J J， et al. Optimization design of carbon fiber anti-collision beam based on multi-objective particle swarm with additional points［J］.Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2022，49（8）：21-28.
19	杨海洋，丁娟，蔡珂芳，等.基于粒子群-细菌觅食混合优化算法的汽车碳纤维复合材料地板铺层设计［J］.汽车技术，2024（8）：53-62.
	YANG H Y， DING J， CAI K F， et al. Ply design of automotive carbon fiber composite floor based on PSO-BFO algorithm［J］. Automobile Technology， 2024（8）：53-62.
20	WANG D F， XIE C， LIU Y C， et al. Multi-objective collaborative optimization for the lightweight design of an electric bus body frame［J］. Automotive Innovation， 2020， 3（3）： 250-259.
21	张亮，张继业，李田，等.超高速列车流线型头型多目标优化设计［J］.机械工程学报，2017，53（2）：106-114.
	ZHANG L， ZHANG J Y， LI T， et al.Multi-objective optimization design of the streamlined head shape of super high-speed trains［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2017，53（2）：106-114.
22	王万林，徐从昌，王震虎，等.铝合金车体的有限元分析和结构评估方法研究［J］.汽车工程，2019，41（6）：607-614，640.
	WANG W L， XU C C， WANG Z H， et al. A study on finite element analysis and structural assessment method for aluminum-alloy vehicle body［J］. Automotive Engineering，2019，41（6）：607-614，640.
23	徐灏.机械强度设计中的安全系数和许用应力［J］.机械强度，1981（2）：39-45.
	XU H. Safety factor and allowable stress in mechanical strength design［J］. Journal of Mechanical Strength， 1981（2）：39-45.
24	刘长钊，张铁，宋健，等.纯电动汽车电驱动系统耦合动力学研究［J］.汽车工程，2022，44（12）：1896-1909.
	LIU C Z， ZHANG T， SONG J， et al. Study on coupling dynamics of electric drive system of pure electric vehicle［J］. Automotive Engineering， 2022，44（12）：1896-1909.
25	高岳林，杨钦文，王晓峰，等.新型群体智能优化算法综述［J］.郑州大学学报（工学版），2022，43（3）：21-30.
	GAO Y L， YANG Q W， WANG X F， et al. Overview of new swarm intelligent optimization algorithms［J］. Journal of Zhengzhou University（Engineering Science）， 2022，43（3）：21-30.
26	汤安迪，韩统，徐登武，等.混沌精英哈里斯鹰优化算法［J］.计算机应用，2021，41（8）：2265-2272.
	TANG A D， HAN T， XU D W， et al.Chaotic elite Harris hawks optimization algorithm［J］. Journal of Computer Applications，2021，41（8）：2265-2272.
27	GURAGAIN N， BISTA R， NEPAL P， et al.An experimental and numerical investigation on fatigue life cycle of leaf spring［J］.IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2024，1314（1）：012002-012002.
28	荣吉利，李先航，王玺，等.某大型运输车的耐久性虚拟试验研究［J］.北京理工大学学报，2022，42（2）：111-117.
	RONG J L， LI X H， WANG Y， et al. Virtual research on durability of large special freight vehicle［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2022，42（2）：111-117.

载荷名称	载荷/N	载荷方向
动力电池	2 200	-Y轴
增程器	1 500	-Y轴
电机	500	-Y轴
扫雪设备	800	-Y轴与-Z轴45°夹角
破冰设备	1 000	-Y轴
车身与其它硬件	1 800	-Y轴

网格尺寸/mm	网格数量	最大应力值/MPa
6	62 081	77.210
5.5	63 015	80.290
5	86 509	83.635
4.5	119 715	84.114
4	150 185	84.959

工况	左前悬架	右前悬架	左后悬架	右后悬架
弯曲工况	U_y、U_z	U_y、U_z	U_y、U_z	U_y、U_z
扭转工况	U_y = 2000 N	U_x、U_y、U_z	U_x、U_y、U_z	U_x、U_y、U_z

工况	横梁1	横梁2	横梁3	横梁4	横梁5	横梁6	横梁7	纵梁1	纵梁2
弯曲工况	0.083	0.105	0.222	0.479	0.105	0.063	0.119	0.213	0.213
扭转工况	0.256	0.140	0.376	0.631	0.306	0.074	0.097	0.503	0.171

阶数	频率/Hz	振型
1	33.67	绕Z轴扭转
2	45.10	绕X轴弯曲
3	95.49	绕Z轴扭转、绕Y轴弯曲
4	102.11	绕Y轴扭转
5	129.20	绕Y轴弯曲
6	139.49	绕X轴扭转