基于形貌優(yōu)化的某汽車制動(dòng)盤防塵罩設(shè)計(jì)

何代澄

（南方天合底盤系統(tǒng)有限公司 技術(shù)部，重慶 402760）

汽車制動(dòng)盤防塵罩作為汽車制動(dòng)器系統(tǒng)中的重要零部件之一，其主要作用是為制動(dòng)盤阻擋飛濺起來的泥土、砂石等物體，防止制動(dòng)盤與制動(dòng)塊之間卡住飛濺起來的物體，從而有效避免制動(dòng)器系統(tǒng)因飛濺起來的物體而損壞。然而，汽車制動(dòng)盤防塵罩在汽車行駛過程中會(huì)受到振動(dòng)等載荷，從而導(dǎo)致汽車制動(dòng)盤防塵罩容易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲甚至失效。因此，對(duì)汽車制動(dòng)盤防塵罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)具有重要意義。

有限元仿真分析技術(shù)可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，已廣泛應(yīng)用到汽車及其零部件的開發(fā)過程中，以驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[1-2]。在有限元仿真分析技術(shù)中采用形貌優(yōu)化方法，可以有效提高零部件的模態(tài)頻率、減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)、減少結(jié)構(gòu)變形量等，已廣泛應(yīng)用到各種沖壓鈑金零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中[3-7]。

本文主要是基于形貌優(yōu)化方法，利用有限元仿真分析技術(shù)對(duì)某汽車制動(dòng)盤防塵罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定滿足某新汽車制動(dòng)盤防塵罩開發(fā)所需求的最佳形貌結(jié)構(gòu)，避免汽車制動(dòng)盤防塵罩在使用過程中產(chǎn)生振動(dòng)噪聲甚至失效，為汽車制動(dòng)盤防塵罩的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 防塵罩設(shè)計(jì)要求

本文汽車制動(dòng)盤防塵罩的有限元仿真分析模型采用HyperMesh進(jìn)行前處理，采用HyperView進(jìn)行后處理。其中，鈑金件采用三角形及四邊形單元進(jìn)行離散，基本單元尺寸為2 mm。制動(dòng)盤防塵罩的材料為DC01，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.9×10-9t/mm3。要求設(shè)計(jì)的汽車制動(dòng)盤防塵罩外徑為φ382 mm，厚度為 1 mm，且需滿足第1階模態(tài)頻率大于100 Hz的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 防塵罩形貌優(yōu)化

2.1 形貌優(yōu)化模型

有限元仿真分析模型的建立是進(jìn)行不同類型仿真分析的基礎(chǔ)，而建立準(zhǔn)確仿真分析模型的關(guān)鍵是需要選擇合適的建模方法，本文建立的某汽車制動(dòng)盤防塵罩的形貌優(yōu)化模型如圖1所示，其中三個(gè)螺栓安裝孔處用RBE2單元模擬連接，同時(shí)約束各自RBE2單元對(duì)應(yīng)中心的6個(gè)自由度。

圖1 汽車制動(dòng)盤防塵罩的優(yōu)化模型

在建立汽車制動(dòng)盤防塵罩的形貌優(yōu)化模型時(shí)，需要確定其可設(shè)計(jì)區(qū)域和非可設(shè)計(jì)區(qū)域，從圖2中可以看出本文汽車制動(dòng)盤防塵罩的設(shè)計(jì)空間，其中與制動(dòng)盤相連接的安裝孔位及其平面、防塵罩邊緣為非可設(shè)計(jì)區(qū)域，其余為可設(shè)計(jì)區(qū)域。在約束條件下，優(yōu)化過程中需對(duì)汽車制動(dòng)盤防塵罩的可設(shè)計(jì)區(qū)域的單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，而汽車制動(dòng)盤防塵罩的非可設(shè)計(jì)區(qū)域的所有單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)仍然保持不變。

圖2 汽車制動(dòng)盤防塵罩的設(shè)計(jì)空間

2.2 形貌優(yōu)化參數(shù)

在汽車制動(dòng)盤防塵罩的形貌優(yōu)化參數(shù)定義時(shí)，最小起筋寬度根據(jù)單元尺寸的大小確定為 5 mm，起筋的最大高度根據(jù)制動(dòng)盤防塵罩的安裝空間大小、沖壓加工工藝及材料成型特性確定為 8 mm，起筋角確定為60°。形貌優(yōu)化時(shí)采用單向起筋方式，在汽車制動(dòng)盤防塵罩的設(shè)計(jì)空間與非設(shè)計(jì)空間的交界區(qū)建立緩沖區(qū)，同時(shí)形狀變量沿單元法向方向移動(dòng)。優(yōu)化目標(biāo)為汽車制動(dòng)盤防塵罩第1階模態(tài)頻率在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡量最大化。

2.3 形貌優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)求解器計(jì)算后，該汽車制動(dòng)盤防塵罩形貌優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，可以明顯看出起筋分布和起筋方向，該汽車制動(dòng)盤防塵罩的形貌優(yōu)化結(jié)果在給定的殼單元結(jié)構(gòu)下，指定的可設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)確定了滿足約束條件的加強(qiáng)筋最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及布置，以獲得較高的第1階模態(tài)頻率。

圖3 汽車制動(dòng)盤防塵罩的優(yōu)化結(jié)果

3 防塵罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮設(shè)計(jì)和制造因素，以上述的汽車制動(dòng)盤防塵罩形貌優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的汽車制動(dòng)盤防塵罩結(jié)構(gòu)如圖4所示，該汽車制動(dòng)盤防塵罩結(jié)構(gòu)是在滿足約束條件下，對(duì)可設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行離散處理后得到的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)坐標(biāo)調(diào)整，從而確定滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳節(jié)點(diǎn)位置，再將優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行曲面重構(gòu)，所得到的汽車制動(dòng)盤防塵罩的最佳形貌結(jié)構(gòu)。

圖4 優(yōu)化后的汽車制動(dòng)盤防塵罩結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)分析

為了驗(yàn)證基于形貌優(yōu)化結(jié)果而設(shè)計(jì)的汽車制動(dòng)盤防塵罩結(jié)構(gòu)是否滿足要求，建立上述優(yōu)化后的汽車制動(dòng)盤防塵罩結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析模型，其中三個(gè)螺栓安裝孔處用RBE2單元模擬連接，同時(shí)約束各自RBE2單元對(duì)應(yīng)中心的6個(gè)自由度，并對(duì)該優(yōu)化后的汽車制動(dòng)盤防塵罩結(jié)構(gòu)進(jìn) 行模態(tài)分析。圖5為優(yōu)化后的汽車制動(dòng)盤防塵罩模態(tài)分析結(jié)果，可以看出，基于形貌優(yōu)化而設(shè)計(jì)的汽車制動(dòng)盤防塵罩結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)頻率為118.04 Hz，滿足大于100 Hz的要求。

圖5 優(yōu)化后的汽車制動(dòng)盤防塵罩模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié)論

基于形貌優(yōu)化方法，利用有限元仿真分析技術(shù)對(duì)某汽車制動(dòng)盤防塵罩進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，確定了滿足某新汽車制動(dòng)盤防塵罩開發(fā)所要求的最佳形貌結(jié)構(gòu)，避免了汽車制動(dòng)盤防塵罩在使用過程中產(chǎn)生振動(dòng)噪聲甚至失效，使其第1階模態(tài)頻率為118.04 Hz，滿足大于100 Hz的新產(chǎn)品開發(fā)要求。