商用車鎖體支架的輕量化設(shè)計(jì)及優(yōu)化

蔣博文，張顯飛，孫晶瑩

（1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽 110159；2.沈陽維士因科技有限公司，遼寧沈陽 110027）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，當(dāng)今社會(huì)生活節(jié)奏逐漸加快，能源和環(huán)保問題成為了如今需要面臨的難題，汽車的輕量化也在逐漸提上日程[1-3]。汽車輕量化技術(shù)作為一種能減少油耗、減少排放污染、降低車身重量及生產(chǎn)成本的有效途徑，也是近幾年國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)研究的一個(gè)重要熱點(diǎn)，未來汽車行業(yè)勢(shì)必會(huì)向著輕量化方向發(fā)展。汽車輕量化技術(shù)主要可分為兩個(gè)方面：（1）使用鋁合金等強(qiáng)度高、密度較小的材料代替密度較大的材料，從而實(shí)現(xiàn)汽車自身的輕量化；（2）對(duì)汽車零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化[4，5]。此外，在保證汽車零件性能的前提下，可以合理、精細(xì)化地減薄汽車零件的板料厚度，對(duì)汽車零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行薄壁化、空心化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)汽車零件的輕量化效果[6-8]。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的結(jié)構(gòu)分析軟件有：ANSYS、Hyperworks、Nastran、Tosca 等CAE 軟 件[9，10]。本文應(yīng)用CATIA 軟件和Hyperworks 軟件設(shè)計(jì)一款全新的汽車鎖體支架。首先使用CATIA 軟件進(jìn)行三維建模，將建立的鎖體支架模型導(dǎo)入Hyperworks 軟件中，利用Optistruct 模塊對(duì)鎖體支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化分析。根據(jù)設(shè)計(jì)變量的不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要分為三種：拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化主要是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個(gè)單元（殼單元或者體單元），根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，以材料分布為優(yōu)化對(duì)象，然后根據(jù)相應(yīng)算法確定設(shè)計(jì)空間內(nèi)單元的去留，在均勻分布的設(shè)計(jì)空間中找到材料最佳的分布方案保留下來的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨?，從而?shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化[11，12]。相對(duì)于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化而言，拓?fù)鋬?yōu)化具有更多的設(shè)計(jì)自由度，能夠獲得更大的設(shè)計(jì)空間。通過對(duì)原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化從而確定鎖體支架材料的最佳分布情況，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果得到新的結(jié)構(gòu)輪廓，將其轉(zhuǎn)化為三維模型，并對(duì)得到的模型進(jìn)行缺陷分析，不斷對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在保證鎖體支架性能的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖體支架的輕量化目標(biāo)。

1 鋁合金鎖體支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及拓?fù)鋬?yōu)化

1.1 材料的選取

商用車鎖體支架分為左右兩個(gè)零部件，分別與前懸左（右）上支座相連接固定，是固定鎖體的重要零部件。利用螺栓將鎖體沿著安裝面安裝在鎖體支架上，對(duì)鎖體起著固定和支撐作用，需要承擔(dān)著前翻轉(zhuǎn)蓋板對(duì)鎖體產(chǎn)生的壓力和沖擊，對(duì)其強(qiáng)度和剛度要求較高。原鎖體支架材質(zhì)為鑄鐵件，單件質(zhì)量0.948 kg，為最大減輕鎖體支架重量，本文選用319S 鋁合金作為鎖體支架材料，材料屬性如下：抗拉強(qiáng)度≥320 MPa，屈服強(qiáng)度≥270 MPa，彈性模量71 GPa，密度2.8 g/cm3，泊松比0.33。

1.2 原鎖體支架三維模型的建立與分析

原始支架結(jié)構(gòu)如圖1 所示，左邊標(biāo)注區(qū)域是通過螺栓將前懸左（右）上支座與鎖體支架相連接固定的位置，右邊標(biāo)注區(qū)域是鎖體支架的安裝面，裝配圖如圖2 所示。根據(jù)鎖體支架受力情況，在其安裝孔上施加20 N 的負(fù)載，同時(shí)在X、Y、Z 軸方向分別施加3 g、3 g、5 g 的加速度。通過有限元分析，原鎖體支架受到最大應(yīng)力為13.3 MPa，最大位移為0.011 mm，同時(shí)對(duì)鎖體支架進(jìn)行模態(tài)分析，得到第1 階和第2 階的固有頻率為824 Hz、868 Hz。

圖1 原始鎖體支架結(jié)構(gòu)圖

圖2 原始鎖體支架裝配圖

由于原鎖體支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)效率較低、重量較大且適用性較差，因此需要以原鎖體支架為參考對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并優(yōu)化。在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前為確保支架結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和美觀性，需對(duì)初始鎖體支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的鎖體支架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。表1 為原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特征。

表1 原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特征

圖3 調(diào)整后的鎖體支架結(jié)構(gòu)

1.3 拓?fù)鋬?yōu)化

1.3.1 有限元模型建立

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前，首先需要對(duì)鎖體支架進(jìn)行有限元模型建立，為確保能夠得到更精確的分析結(jié)果，減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，對(duì)鎖體支架進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除對(duì)受力影響較小的圓角等部分[13]。有限元模型如圖4 所示。

圖4 鎖體支架有限元模型

在建立有限元模型時(shí)，需要對(duì)有限元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，盡可能地將有限元網(wǎng)格與建立的鎖體支架三維模型進(jìn)行貼合。因鎖體支架安裝孔位置受約束結(jié)構(gòu)不能發(fā)生改變，所以安裝孔位置設(shè)為非設(shè)計(jì)區(qū)域，其余位置設(shè)為設(shè)計(jì)區(qū)域。對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，最終通過共節(jié)點(diǎn)將兩者的體網(wǎng)格模型相連接[14，15]，如圖5 所示。

圖5 鎖體支架設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域劃分

1.3.2 施加載荷和約束

根據(jù)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)，鎖體支架的最大載荷為20 N。為了使分析結(jié)果更加精確，將鎖體支架的安裝孔處6 個(gè)自由度全部約束。載荷和約束如圖6 所示。

圖6 載荷和約束

1.4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖7 所示。圖中標(biāo)識(shí)的位置4 表示可以對(duì)鎖體支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行薄壁化處理；圖中標(biāo)識(shí)的位置1、位置2、位置3 區(qū)域表示經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后已經(jīng)去除的位置。因此，可以針對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)鎖體支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化主要是給設(shè)計(jì)者一種設(shè)計(jì)思路，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果將其轉(zhuǎn)換成三維模型并對(duì)其結(jié)構(gòu)輪廓進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可制造性[16]。為了保證鎖體支架在工作過程中能安全運(yùn)行，需要對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的初版三維模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)鎖體支架進(jìn)行模態(tài)分析直接的作用是可以獲得模型的固有頻率和振型；根據(jù)固有頻率、振型，可以判斷模型在特定激勵(lì)下是否會(huì)發(fā)生共振。圖8 為鎖體支架的第一階模態(tài)振型圖，其模態(tài)振型主要表現(xiàn)在Z 軸方向上做往復(fù)擺動(dòng)，得到的固有頻率為3793 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于商用車工作頻率，并不會(huì)發(fā)生共振，如圖8 所示。

圖8 鎖體支架第一階模態(tài)振型

通過對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的模型分析，為實(shí)現(xiàn)鎖體支架的輕量化目標(biāo)，還需對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。在不影響鎖體支架性能的條件下，不斷對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其中二版數(shù)模相對(duì)于初版數(shù)模而言，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果去除了對(duì)鎖體支架結(jié)構(gòu)影響較小的位置1 和位置3 區(qū)域；三版數(shù)模為了結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步輕量化，在位置2 區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)目招幕O(shè)計(jì)以及在二版數(shù)模的基礎(chǔ)上對(duì)鎖體支架位置4 區(qū)域進(jìn)行曲面薄壁化處理，進(jìn)一步減輕鎖體支架的重量；由于三版數(shù)模會(huì)使得安裝面產(chǎn)生變形，因此為確保鎖體支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在適當(dāng)?shù)奈恢迷鎏聿糠旨訌?qiáng)筋得到最終數(shù)模。最終得到的鎖體支架模型如圖9 所示，其質(zhì)量為0.152 kg，與原鎖體支架0.948 kg 相比，質(zhì)量減少了83.5%。表2 為優(yōu)化后設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特征。

表2 優(yōu)化后設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特征

圖9 最終數(shù)模

2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

2.1 靜態(tài)受力分析

使用Hyperworks 軟件對(duì)優(yōu)化后的最終數(shù)模進(jìn)行靜態(tài)分析、最大位移分析等。應(yīng)力分析仿真結(jié)果如圖10 所示，改進(jìn)后的鎖體支架在靜力分析中，其最大應(yīng)力值是17.3 MPa，遠(yuǎn)小于319S 鋁合金的屈服強(qiáng)度，而且在鎖體支架內(nèi)側(cè)還增加了加強(qiáng)筋，增強(qiáng)了整體的強(qiáng)度。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的變形分析結(jié)果如圖11 所示。最大位移在安裝孔處，為0.0026 mm，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)允許的最大位移。由以上結(jié)果可以得出，鎖體支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在單一靜載荷的作用下完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 靜載荷作用下應(yīng)力

圖11 靜載荷作用下位移

2.2 模態(tài)分析

為了確保改進(jìn)后的鎖體支架結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，同樣需要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，如圖12 所示為鎖體支架前6 階的約束模態(tài)振型圖。

圖12 約束模態(tài)振型圖

從優(yōu)化后的鎖體支架結(jié)構(gòu)前6 階模態(tài)振型圖來看，其結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的位置主要是在安裝面中部，體現(xiàn)在鎖體支架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、彎曲，如圖12 中第4 階振型和第5 階振型兩者振動(dòng)頻率相近，振型也相似，但兩者的振動(dòng)方向是不同的。鎖體支架的最低固有頻率高于商用車的工作頻率（19 Hz），因此該鎖體支架應(yīng)用于商用車工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振[17]，鎖體支架結(jié)構(gòu)的剛度滿足設(shè)計(jì)需求，裝配效果如圖13 所示。

圖13 鎖體支架裝配圖

3 優(yōu)化效果對(duì)比

鎖體支架優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比如表3 所示，優(yōu)化后的鎖體支架質(zhì)量減小了83.97%，最大位移下降了75%，雖然最大應(yīng)力有所增加，但是相對(duì)于材料的屈服強(qiáng)度而言，增加的應(yīng)力相對(duì)較小，并不影響鎖體支架的使用。此外，鎖體支架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加了11 mm，寬度減少了7 mm，高度減少了21 mm，體積減少了53.35%，由于剛度和固有頻率存在一定的相互關(guān)系，因此，優(yōu)化后的鎖體支架結(jié)構(gòu)可以通過固有頻率表示結(jié)構(gòu)的剛度變化，從表3中也可看出改進(jìn)后鎖體支架的剛度有了顯著的提升。

表3 改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比表

4 結(jié)論

本文對(duì)鎖體支架從三維模型的建立到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行有限元分析，并對(duì)鎖體支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。采取薄壁化、空心化的方式，最大程度上提高材料的利用率。將鎖體支架優(yōu)化前后得到的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比得知，優(yōu)化后的鎖體支架質(zhì)量為0.152 kg，相比原鑄鐵件減重83.97%。不僅使原支架的基礎(chǔ)重量有著明顯減輕，材料利用率有較大提高，而且結(jié)構(gòu)性能也大幅度增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎖體支架的輕量化。