劉勺華，邵亭亭，路紀(jì)雷

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車(chē)輛工程學(xué)院，江蘇 常州, 213164；2.南京徐工汽車(chē)技術(shù)中心，江蘇 南京 210012)

車(chē)輛吊耳支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究

劉勺華1，邵亭亭1，路紀(jì)雷2

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車(chē)輛工程學(xué)院，江蘇 常州, 213164；2.南京徐工汽車(chē)技術(shù)中心，江蘇 南京 210012)

大多數(shù)重型車(chē)輛均采用吊耳支架將懸掛系統(tǒng)與車(chē)架連接，為車(chē)架與懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵承載零件之一?；谕?fù)鋬?yōu)化理論及有限元方法，使用Hyperworks中OptiStruct優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，對(duì)吊耳支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，以在強(qiáng)度允許的前提下取得最佳的材料分布，使得質(zhì)量最小。優(yōu)化后進(jìn)行了CAD模型重構(gòu)，經(jīng)與原件的靜強(qiáng)度和模態(tài)比較結(jié)果表明：新設(shè)計(jì)的零件較原零件質(zhì)量降低34.07%，一階模態(tài)提高6.81%，最大應(yīng)力降低5.38%。此優(yōu)化方法對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。

車(chē)輛工程；吊耳支架；拓?fù)鋬?yōu)化；Hyperworks；模型重構(gòu)

0 引 言

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)車(chē)速和油耗的日漸關(guān)注，汽車(chē)輕量化已經(jīng)越來(lái)越被各汽車(chē)廠家所重視。筆者借助Altair公司旗下的Hyperworks軟件，對(duì)重卡汽車(chē)普遍采用的吊耳支架進(jìn)行應(yīng)力約束下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以在強(qiáng)度允許的前提下取得最佳的材料分布，使得質(zhì)量最小。通過(guò)整個(gè)設(shè)計(jì)分析流程證明，任何汽車(chē)零件都有優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間，新車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮汽車(chē)的輕量化問(wèn)題。

筆者以國(guó)內(nèi)重型車(chē)輛吊耳支架為研究對(duì)象，借助CAE分析手段對(duì)該裝置進(jìn)行建模、優(yōu)化、分析、重構(gòu)，使其強(qiáng)度符合要求，重量降低。強(qiáng)度分析結(jié)果表明，利用CAE軟件進(jìn)行吊耳支架優(yōu)化研究可以改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高汽車(chē)的自身重量，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1-3]。

1 有限元模型的建立

1.1 優(yōu)化前吊耳支架建模

吊耳支架是重型車(chē)上連接懸掛系統(tǒng)與車(chē)架的，起著傳遞縱向力，承載垂向力的作用。目前大多重型車(chē)上的吊耳支架均為鑄造件。將CATIA中某現(xiàn)有的吊耳支架三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成iges格式后導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行有限元的前處理—網(wǎng)格劃分[4-5]。為了得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，在劃分之前將實(shí)體模型拆分成易于劃分六面體的單個(gè)實(shí)體的組合。最后得到圖1的吊耳支架模型，模型包含77 135個(gè)實(shí)體單元，35 431個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 優(yōu)化前吊耳支架模型Fig.1 Lug bracket model before optimization

1.2 邊界條件

吊耳支架在實(shí)際使用時(shí)，是將Z方向的4個(gè)孔與縱梁側(cè)面連接，X方向的3個(gè)孔與縱梁下翼面連接，下方2個(gè)3角形支撐板上的孔連接板簧，如圖2。在汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，吊耳支架的受力情況比較復(fù)雜。按照不同工況分類(lèi)，吊耳支架大致可分為垂直上跳、垂直下跳、制動(dòng)和側(cè)向力4種工況。因此，在分析時(shí)，約束情況是將吊耳支架端面3個(gè)螺栓孔及側(cè)面4個(gè)螺栓孔自由度全部設(shè)為0，至于載荷的加載則根據(jù)不同的工況在安裝板簧的銷(xiāo)孔處施加不同方向的力。

圖2 吊耳支架安裝位置示意Fig.2 Mounting position of lug bracket

1.3 計(jì)算結(jié)果

劃分完網(wǎng)格，施加約束及載荷條件后將有限元模型導(dǎo)入到Hyperworks的optistruct模塊進(jìn)行求解，得到已有吊耳支架的應(yīng)力云圖，如圖3。

圖3 吊耳支架強(qiáng)度校核Fig.3 Strength check of lug bracket

2 吊耳支架拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 分設(shè)計(jì)與非設(shè)計(jì)區(qū)域

由圖3可以看出，現(xiàn)有的吊耳支架最大應(yīng)力為167.34 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力355 MPa。因此，該構(gòu)件有較大的優(yōu)化空間。但是考慮到構(gòu)件與其他零件之間的連接，需要設(shè)定設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域，其中非設(shè)計(jì)區(qū)域不在優(yōu)化范圍。圖4為劃分區(qū)域之后，待優(yōu)化的吊耳支架有限元模型。

圖4 劃分設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域Fig.4 Division of design and non-design region

圖4中7個(gè)圓柱形區(qū)域?yàn)槁菟ò惭b部位，是非設(shè)計(jì)區(qū)，其他區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)區(qū)。分別為設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域劃分網(wǎng)格之后還要將2個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)耦合，通過(guò)這種方法將設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域合成一體。

2.2 優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)有3要素，即設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可表述為

f(X) =f(x1,x2，…，xn)

(1)

約束條件：

L≤xi≤Ui= 1,…,n

(2)

g(X)<0

(3)

式中：X=x1,x2，…，xn為設(shè)計(jì)變量；f(X)是目標(biāo)函數(shù)；L為變量下限；U為變量上限；g(X)為不等式約束函數(shù)。

在優(yōu)化中，目標(biāo)函數(shù)f(X)，約束函數(shù)g(X)是從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計(jì)變量X是一個(gè)矢量，它的選擇依賴(lài)于優(yōu)化類(lèi)型。在拓?fù)鋬?yōu)化中，設(shè)計(jì)變量為單元的密度[6-8]。Optistruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體流程如圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程Fig.5 Design flow of structure optimization

3 拓?fù)溆?jì)算及零件重構(gòu)

3.1 優(yōu)化結(jié)果

前處理完成后調(diào)用Optistruct模塊進(jìn)行分析。體積分?jǐn)?shù)沿迭代次數(shù)的變化在第17次迭代之后，結(jié)果收斂，優(yōu)化過(guò)程結(jié)束。打開(kāi)Hyperview，查看第17步的優(yōu)化結(jié)果(單元密度閾值取0.1)，如圖6[9-11]。

圖6 優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization result

3.2 零件重構(gòu)

返回HyperMesh窗口，在后處理Post 面板將第17步結(jié)果讀入，并使用OSSmooth 命令將優(yōu)化后的單元格光順成ISO 曲面，ISO 曲面閥值同樣取0.1，

光順結(jié)果如圖7(a)。參考輸出的曲面，在CATIA中對(duì)零件進(jìn)行重構(gòu)，得到新設(shè)計(jì)的零件，如圖7(b)。

圖7 零件重構(gòu)Fig.7 Parts reconstruction

4 重構(gòu)模型驗(yàn)證

重新構(gòu)造的模型還需要CAE分析驗(yàn)證，與原零件對(duì)比。如果經(jīng)對(duì)比分析，新設(shè)計(jì)零件比原零件具有優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)方案才算完結(jié)。新設(shè)計(jì)零件4種工況下的的應(yīng)力分布云圖，如圖8。

圖8 新零件吊耳支架強(qiáng)度校核Fig.8 Strength check of new part lug bracket

將原零件與新零件分析結(jié)果進(jìn)行3方面對(duì)比得表1。

表1原零件與新設(shè)計(jì)零件對(duì)比

Table1Comparisonoforiginalpartandnewdesignpart

零件質(zhì)量/kg最大應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力工況原支架新支架6．814．49169163側(cè)向力工況

筆者是借助 CAE 分析手段對(duì)該構(gòu)件進(jìn)行分析、重構(gòu)，使其構(gòu)件輕量化，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了重要參考依據(jù)。這種方法對(duì)于整車(chē)企業(yè)縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力很有幫助。在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中，模擬計(jì)算結(jié)果也基本上與實(shí)際受力過(guò)程相一致,仿真所用的外力是汽車(chē)實(shí)際使用過(guò)程中的極限工況下的最大載荷。當(dāng)極限工況下部件受力情況滿(mǎn)足使用要求時(shí)，普通工況也能滿(mǎn)足。

影響材料疲勞性能的因素除最大應(yīng)力外，還有構(gòu)件尺寸、表面光潔度、表面處理、使用溫度及環(huán)境等其他因素。根據(jù)名義應(yīng)力應(yīng)變法及材料S-N曲線(xiàn)，當(dāng)影響因素一致時(shí)，最大應(yīng)力降低，疲勞壽命肯定會(huì)有所提高。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者在CATIA中建立了重型車(chē)輛吊耳支架三維模型，并利用Hyperwoks軟件建立有限元模型，對(duì)吊耳支架4種常見(jiàn)工況進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，并進(jìn)行了吊耳支架拓?fù)鋬?yōu)化，拓?fù)溆?jì)算及零件重構(gòu)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，新設(shè)計(jì)的零件較之原零件質(zhì)量降低34%、最大應(yīng)力降低3.5%。新設(shè)計(jì)的零件不僅能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，而且其質(zhì)量比原件有所降低。筆者通過(guò)完整的流程證明了只要是零部件就可能存在優(yōu)化的空間，為車(chē)輛輕量化研究提供一定的理論依據(jù)，本優(yōu)化方法對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)具有實(shí)踐工程指導(dǎo)意義。

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OptimizationAnalysisonVehicleLugBracketStructure

LIU Shaohua1, SHAO Tingting1, LU Jilei2

(1.School of Automobile Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, P.R.China; 2.Nanjing Xugong Automobile Manufacturing Co. Ltd., Nanjing 210012, Jiangsu, P.R.China)

As one of key bearing parts of the suspension system and the frame, lug bracket was used by most heavy vehicles to connect the suspension system and the frame. Based on topology optimization theory and finite element method, Optistruct in Hyperworks was used to carry out the module design optimization, and the topology optimization of lug bracket was carried out, which was expected to obtain the optimal material distribution and a minimum mass in the premise of strength permit. After optimization, CAD model reconstruction was carried out. Compared with the static strength and modal of original, the results show that compared with the original parts, the quality of the new designed parts is reduced by 34.07%, the first order mode is improved by 6.81%, and the maximum stress is decreased by 5.38%. The proposed optimization method has practical engineering guidance for the improvement of vehicle structure design.

vehicle engineering; lug bracket; topology optimization; Hyperworks; model reconstruction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.19

2016-05-18；

2016-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375212) ; 江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(16KJB580012);2016年江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師境外研修項(xiàng)目

劉勺華(1982—)，男，山東臨沂人，講師，博士研究生，主要從事車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能模擬與控制方面的研究。E-mail:99954886@qq.com。

TP391.9；U464.134+.4

A

1674-0696(2017)11-100-06

(責(zé)任編輯：譚緒凱)