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      基于踩踏剛度的踏步板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      2020-12-30 06:59:08張顯波劉敏蘇海順石強(qiáng)何忠青
      汽車(chē)文摘 2020年1期
      關(guān)鍵詞:板厚乘員支架

      張顯波 劉敏 蘇海順 石強(qiáng) 何忠青

      (中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司,長(zhǎng)春 130013)

      主題詞:踏步板設(shè)計(jì) 剛度分析 尺寸優(yōu)化 輕量化設(shè)計(jì)

      1 前言

      在車(chē)身系統(tǒng)中,踏步板為乘員提供上下車(chē)支撐,是直觀感受設(shè)計(jì)品質(zhì)的重要部分。踩踏剛度是評(píng)價(jià)踏步板功能的重要參數(shù)。當(dāng)踩踏剛度不足時(shí),踩踏會(huì)引起踏步板產(chǎn)生過(guò)大形變,導(dǎo)致其可靠性降低,工作壽命縮短,并且使乘員缺乏安全感,還會(huì)減弱踏步板防滑性,危害上下車(chē)乘員的安全。

      本文針對(duì)某車(chē)型踏步板的踩踏剛度不足的問(wèn)題進(jìn)行分析,并從踏步板支架的結(jié)構(gòu)形式和板厚兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

      2 問(wèn)題的提出

      某車(chē)型一輪試制后,發(fā)現(xiàn)乘員踩踏在踏步板后端時(shí),踩踏變形較大,實(shí)車(chē)測(cè)量踏板裝飾罩后沿的變形量約10 mm,結(jié)果如圖1所示。商品性評(píng)價(jià)指出踩踏變形太大,并且乘員踩踏在踏板后端的頻次較高,踩踏缺乏安全感。

      圖1 踩踏變形

      3 踏步板的踩踏分析

      3.1 踏步板結(jié)構(gòu)概述

      踏步板總成由踏步板、踏步板裝飾罩和踏步板支架構(gòu)成,其中踏步板裝飾罩為非主要承載零件,主要起裝飾作用,而踏步板和踏步板支架是主要的承載零件,踩踏剛度與這些零件密切相關(guān)。

      踏步板總成結(jié)構(gòu)組成如圖2所示,踏步板總成通過(guò)連接支架⑥固定在前下防護(hù)上。這樣固定的優(yōu)點(diǎn)在于踏步板支架的懸臂比固定在車(chē)架上短,受力形式較好。踏步板支架由前固定支架、后固定支架、2個(gè)過(guò)渡支架、支撐支架和連接支架螺栓連接而成。踏步板總成結(jié)構(gòu)零件的參數(shù)見(jiàn)表1。

      圖2 踏步板總成結(jié)構(gòu)

      表1 踏步板總成的零件參數(shù)

      3.2 踏步板踩踏剛度分析

      目前,CAE已經(jīng)成為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效手段和方式,在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證階段起著舉足輕重的作用[1]。

      對(duì)踩踏在踏步板后端的情況進(jìn)行剛度分析。分析時(shí),將前下防護(hù)視為剛體,約束踏步板總成與前下防護(hù)的4個(gè)固定點(diǎn)的6個(gè)自由度,即X、Y、Z向的平動(dòng)自由度和旋轉(zhuǎn)自由度,如圖3中綠色三角號(hào)的標(biāo)記。在踏步板后端(位置2)施加豎直向下的分布載荷,如圖3所示。

      圖3 乘員踩踏示意圖及踩踏分析有限元模型

      分析發(fā)現(xiàn),踩踏點(diǎn)的位移為7.15 mm,如圖4所示,超出設(shè)計(jì)要求2.15 mm,踩踏剛度不滿足要求。

      圖4 踩踏后端時(shí)踩踏點(diǎn)的位移

      4 踏步板支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

      為了有的放矢地提高踏步板的踩踏剛度,進(jìn)一步分析踏步板結(jié)構(gòu)的受力形式。踩踏時(shí),固定支架和過(guò)渡支架主要承受彎曲載荷,而支撐支架主要承受扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲載荷。因此,提高踩踏剛度、減小踩踏變形可以從兩方面著手。

      (1)減小固定支架和過(guò)渡支架的彎曲變形。

      (2)減小支撐支架的扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形。接下來(lái),根據(jù)它們的受力形式采用不同的方法分別優(yōu)化其結(jié)構(gòu)形式。

      4.1 固定支架和過(guò)渡支架的截面優(yōu)化

      截面特性是梁的一個(gè)非常重要的參數(shù),優(yōu)化截面形式可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的提升[2]。固定支架和過(guò)渡支架可以簡(jiǎn)化為L(zhǎng)型的變截面梁。根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí),對(duì)于懸臂梁,最大撓度與截面慣性矩成反比。

      其中,yz是梁的最大撓度值;Iz是梁的截面慣性矩。

      對(duì)于等長(zhǎng)度的懸臂梁,承受相同載荷的情況下,只有增大截面慣性矩,才能減小最大撓度值。常用的梁有:工字型梁、T型梁、U型梁、L型梁、回字梁和圓管梁等。固定支架需要給踏步板提供固定平面,而過(guò)渡支架需要給固定支架提供固定平面,所以,選擇的截面必須能夠提供接觸平面。從等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面考慮,因?yàn)樗麄兪菓冶坌问降慕Y(jié)構(gòu),固定支架和過(guò)渡支架應(yīng)該設(shè)計(jì)成楔形變截面的形式,所以要求梁的立面能夠加工成變截面的形式。從鈑金工藝方面考慮,折彎件的工藝難度最小,成本最低,且最容易實(shí)現(xiàn)。因此,考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝的可行性,選取U型梁作為備選方案。選取固定支架底部的截面,如圖5所示,計(jì)算對(duì)比L型梁與U型梁的截面慣性矩,U型梁的截面慣性矩(Iz=130 035 mm4)顯著高于L型截面慣性矩(Iz=170 873 mm4)。根據(jù)公式(1),可以判定將固定支架和過(guò)渡支架由L型變截面梁設(shè)計(jì)成U型變截面梁,能夠減小固定支架和過(guò)渡支架的踩踏彎曲變形。

      圖5 L型截面與U型截面

      4.2 支撐支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      支撐支架的變形比固定支架和過(guò)渡支架復(fù)雜,既存在彎曲變形,又存在扭轉(zhuǎn)變形,是它們疊加的結(jié)果??梢越柚鶦AE分析手段對(duì)支撐支架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化。首先,分別建立5種簡(jiǎn)化分析模型,并進(jìn)行分析。然后,對(duì)比分析結(jié)果,確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方向,并能夠減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

      方案A,在支撐支架的開(kāi)口位置向內(nèi)生成4排單元,相當(dāng)于設(shè)計(jì)翻邊結(jié)構(gòu),翻邊高度大概為20 mm,翻邊位置如圖6中紅線指示。分析結(jié)果顯示,踩踏點(diǎn)的位移:6.02 mm。

      方案B,采用剛性單元RBE2將支撐臂支架后端封閉,模擬在支撐支架的后端焊接加強(qiáng)板,加強(qiáng)位置如圖7中紅線框選的區(qū)域。分析結(jié)果顯示,踩踏點(diǎn)的位移:4.87 mm

      圖6 方案A

      圖7 方案B

      方案C,采用剛性單元RBE2將支撐臂支架中間位置封閉,模擬在支撐支架的中間位置焊接加強(qiáng)板。加強(qiáng)位置如圖8中紅線框選的區(qū)域。分析結(jié)果顯示,踩踏點(diǎn)的位移:5.08 mm

      方案D,采用剛性單元RBE2將支撐臂支架前端封閉,模擬在支撐支架的前端焊接加強(qiáng)板。加強(qiáng)位置如圖9中紅線框選的區(qū)域。分析結(jié)果顯示,踩踏點(diǎn)的位移:5.74 mm

      圖8 方案C

      圖9 方案D

      方案E,采用剛性單元RBE2將支撐臂支架前半部分封閉,模擬在支撐支架的前半部分焊接加強(qiáng)板,加強(qiáng)位置如圖10中紅線框選的區(qū)域。分析結(jié)果顯示,踩踏點(diǎn)的位移:4.58 mm

      圖10 方案E

      從計(jì)算結(jié)果可以看出,乘員踩踏在踏步板后端時(shí),支撐支架焊接加強(qiáng)板的踩踏點(diǎn)的位移小于帶有翻邊的結(jié)構(gòu);焊接的加強(qiáng)板越靠近踏步板后端,踩踏點(diǎn)的位移越小,提升踩踏剛度的效果越好;焊接的加強(qiáng)板越大提升踩踏剛度的效果越好。根據(jù)分析結(jié)果,優(yōu)化原來(lái)的支撐支架,并焊接加強(qiáng)板,使支撐支架總成的截面形成封閉的回字型截面,實(shí)現(xiàn)減小踩踏引起的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形,提升踩踏剛度。

      4.3 踏步板支架的板厚優(yōu)化

      從工程設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,常用的優(yōu)化技術(shù)主要有:拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是在給定載荷條件下在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的優(yōu)化技術(shù),一般用于方案設(shè)計(jì)初期,確定結(jié)構(gòu)形式[3]。形狀優(yōu)化是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的邊界,進(jìn)而改進(jìn)結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)化方式[4]。尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下進(jìn)行,通過(guò)調(diào)節(jié)尺寸參數(shù),如改變零件的板厚,達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的目的[5]。其中,尺寸優(yōu)化發(fā)展最為成熟,優(yōu)化的結(jié)果實(shí)用性最強(qiáng)。

      本文采用尺寸優(yōu)化方法對(duì)踏步板支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,選取各個(gè)支架的板厚作為設(shè)計(jì)變量,匹配各個(gè)零件的板厚,實(shí)現(xiàn)踩踏剛度的提升。

      4.3.1 踏步板支架的尺寸優(yōu)化

      本文在踏步板支架的優(yōu)化中,以各支架的板厚ti(i=1,2,L,n)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,將踏步板的總重量最小設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo),把踩踏分析中的載荷施加在踏步板后端的位移作為優(yōu)化約束條件。這里,從踏步板的結(jié)構(gòu)受力形式可以看出,踩踏在踏步板后端是乘員上下車(chē)踩踏時(shí)最為惡劣的工況,如果后端的踩踏剛度滿足設(shè)計(jì)要求,那么前端也一定滿足使用要求,所以,優(yōu)化過(guò)程中只選擇了踩踏在踏步板后端時(shí)踩踏點(diǎn)的位移作為約束條件。

      踏步板支架優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下所示:

      約束條件為:

      其中,M為踏步板的總重量;ti和Ai(i=1,2,…,n)分別為第i個(gè)支架的厚度和面積;n為設(shè)計(jì)變量的總數(shù);Gv(X)為優(yōu)化的約束函數(shù);X表示優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量;分別為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量的設(shè)計(jì)空間的上限和下限。這個(gè)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型所指示的意義是以最低的重量,通過(guò)優(yōu)化支架的板厚,使踏步板的踩踏剛度到達(dá)設(shè)計(jì)要求。

      在定義設(shè)計(jì)變量時(shí),為了使優(yōu)化結(jié)果接近工程實(shí)際,設(shè)計(jì)空間定義為離散的、常規(guī)的厚度。此外,為了縮短優(yōu)化時(shí)間,減少資源的浪費(fèi),排除不可行的厚度。定義的設(shè)計(jì)變量及其取值空間如表2所示。

      表2 踏步板支架尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量

      結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)在設(shè)計(jì)變量的取值改變時(shí)發(fā)生的反應(yīng),稱(chēng)為設(shè)計(jì)響應(yīng)。目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均為設(shè)計(jì)變量的某種函數(shù),它們都屬于設(shè)計(jì)響應(yīng)。本文的踏步板的總重量和踩踏點(diǎn)的位移會(huì)隨設(shè)計(jì)變量取值的變化而改變,因此它們是設(shè)計(jì)響應(yīng),把它們分別定義為優(yōu)化目標(biāo)和約束條件。綜合模型誤差和安全系數(shù),以踩踏在踏步板后端時(shí)踩踏點(diǎn)的位移小于等于3 mm為約束條件,踏步板的總重量最小為優(yōu)化目標(biāo),尋求最佳的板厚分布以最低的重量來(lái)滿足踩踏剛度的要求。

      4.3.2 優(yōu)化結(jié)果

      經(jīng)過(guò)7次迭代計(jì)算,獲得各個(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳取值。圖11是設(shè)計(jì)變量T-121(連接支架)的優(yōu)化計(jì)算迭代曲線。最終的設(shè)計(jì)變量的板厚尺寸如表3所示。

      圖11 設(shè)計(jì)變量T-121的計(jì)算迭代曲線

      表3 尺寸優(yōu)化結(jié)果

      4.4 最終的優(yōu)化方案

      通過(guò)踏步板支架的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化和尺寸優(yōu)化,確定最終方案,并與原方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比,如表4所示。最終方案,在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下,重量增加了0.42 kg。固定支架的截面形式由L型設(shè)計(jì)成U型,板厚由3.0 mm減到2.0 mm,重量減少0.03 kg;過(guò)渡支架與固定支架一樣,截面有L型優(yōu)化成U型,板厚由4.0 mm優(yōu)化為4.5 mm,重量增加0.14 kg;支撐支架焊接了2.5 mm厚的加強(qiáng)板,支撐支架板厚由5.0 mm減至4.0 mm,支撐支架總成的重量增加0.18 kg;連接支架的厚度優(yōu)化后并沒(méi)有改變,但是為了保證連接強(qiáng)度,由2點(diǎn)(單側(cè))固定改為3點(diǎn)固定。

      表4 支架優(yōu)化前后對(duì)比

      5 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

      5.1 CAE驗(yàn)證

      計(jì)算踩踏剛度和強(qiáng)度,乘員踩踏在踏步板后端時(shí),踩踏點(diǎn)的位移為2.86 mm,如圖12所示,乘員踩踏在踏步板中間位置,踩踏點(diǎn)的位移為2.48 mm,分析結(jié)果顯示不論踩踏在中間還是踏步板后端,踩踏點(diǎn)的位移均滿足踩踏位移設(shè)計(jì)要求。并且,各個(gè)零件的應(yīng)力值均小于零件的屈服極限,滿足強(qiáng)度要求,踩踏在后端時(shí)零件的應(yīng)力如圖13所示。并且,通過(guò)約束模態(tài)和頻率響應(yīng)分析,優(yōu)化后的模型均滿足振動(dòng)要求和強(qiáng)度要求。

      圖12 踩踏后端時(shí)踩踏點(diǎn)的位移

      圖13 踩踏后端時(shí)各零件的最大應(yīng)力

      5.2 實(shí)車(chē)評(píng)價(jià)

      對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行實(shí)車(chē)評(píng)價(jià),乘員評(píng)價(jià)踩踏變形量較小,踩踏穩(wěn)固安全,實(shí)車(chē)評(píng)價(jià)滿足要求。

      6 結(jié)束語(yǔ)

      綜上,CAE分析結(jié)果和實(shí)車(chē)評(píng)價(jià)顯示,踏步板的踩踏剛度不足的問(wèn)題得到了妥善解決,并且強(qiáng)度分析、約束模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析均合格。

      本文綜合運(yùn)用了CAE分析手段和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,解決了某車(chē)型踏步板的踩踏剛度不足的問(wèn)題。固定支架和過(guò)渡支架的改進(jìn),結(jié)合了材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí),明確改進(jìn)方向;支撐支架的優(yōu)化充分利用CAE簡(jiǎn)化模型,快速的找到優(yōu)化方向,縮短了改進(jìn)設(shè)計(jì)周期。通過(guò)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和選取合理的板厚,顯著提升了踩踏剛度,踩踏點(diǎn)的變形量達(dá)到了目標(biāo)要求。在優(yōu)化過(guò)程中,采用的優(yōu)化思路和方法以及優(yōu)化技術(shù)等均可用于后續(xù)相關(guān)結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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