基于虛擬正交試驗(yàn)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究*

何昌德，董春旺，吳 鋒

(1.浙江大學(xué)，動(dòng)力機(jī)械及車(chē)輛工程研究所，杭州 310027;2.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，臺(tái)州 318020)

前言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架作為轉(zhuǎn)向盤(pán)的核心部件，相關(guān)的法律法規(guī)要求對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)做多方面必要的性能試驗(yàn)，其主要有:靜壓、靜扭強(qiáng)度、壓疲勞試驗(yàn)和扭曲疲勞等。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中對(duì)骨架結(jié)構(gòu)性能和鑄造工藝因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鎂合金轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架出現(xiàn)的斷裂、裂紋和嚴(yán)重變形等缺陷與鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料成分、模具的澆鑄系統(tǒng)和壓鑄工藝有關(guān)。

良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是性能的先行條件。在發(fā)生失效后，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)來(lái)避免缺陷而提高產(chǎn)品的性能。對(duì)骨架進(jìn)行CAE數(shù)值模擬分析，可縮短整個(gè)研發(fā)周期和費(fèi)用，提高其綜合性能，但目前相關(guān)研究較少[3]，特別是骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置和骨架性能影響關(guān)系尚未明確。本文中采用多指標(biāo)正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)骨架的力學(xué)性能進(jìn)行分析，旨在明確骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)和其性能之間的關(guān)系，為轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效設(shè)計(jì)方法和理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬正交試驗(yàn)分析

1.1 骨架模型的建立

轉(zhuǎn)向盤(pán)通常有圓盤(pán)和非圓盤(pán)型，圓盤(pán)形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性能好和操控方便，有很好的控制感和路感，得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架可分為單輻、雙輻、三輻和四輻型，C、D級(jí)轎車(chē)常采用四輻設(shè)計(jì)。B11型轉(zhuǎn)向盤(pán)采用圓形四幅結(jié)構(gòu)，其主要由輪圈、輪輻、輪轂和花鍵套等部分組成。在UG三維軟件中建立骨架三維實(shí)體模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由骨架結(jié)構(gòu)的組成可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能間的關(guān)系是一個(gè)多因素多指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，為此采用有限元數(shù)值模擬正交試驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行分析研究[4－7]。結(jié)果表明[1－3]，骨架斷裂等失效多發(fā)生在輪輻與輪圈和輪輻與輪轂連接處，對(duì)骨架性能主要影響因素有:輪輻寬L、輪輻高H、輪圈壁厚B1、輪輻壁厚B2、連接圓角半徑R1、R2和過(guò)渡圓角半徑R3(見(jiàn)圖1)。因此試驗(yàn)采用7因素3水平正交表L18(37)安排試驗(yàn)，見(jiàn)表1。分別建立不同因素水平組合的骨架三維有限元模型，按照Q/TF08—2004標(biāo)準(zhǔn)給定邊界約束條件和載荷，在NX Nastran環(huán)境下進(jìn)行800N的靜壓試驗(yàn)和135N·m的靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)分析計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 骨架試驗(yàn)因素水平表

表2 試驗(yàn)方案和數(shù)值模擬結(jié)果

表2最后1列的綜合評(píng)估得分為該行的5個(gè)無(wú)量綱值的加權(quán)。

應(yīng)力指標(biāo)中的值越小越好，如第3號(hào)試驗(yàn)為390MPa，排在第 1名，給 10分;第 17號(hào)試驗(yàn)為521MPa，排在最后，給0分。對(duì)其它號(hào)試驗(yàn)各指標(biāo)值的得分，視其與該指標(biāo)優(yōu)秀值的差異按比例打分，無(wú)量綱值轉(zhuǎn)換公式為

式中:Xi為試驗(yàn)值;Yi為無(wú)量綱值。

因各項(xiàng)指標(biāo)重要程度有差異，故先對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)的無(wú)量綱值乘以相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)得該項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)評(píng)分，再把每號(hào)試驗(yàn)的所有指標(biāo)的加權(quán)評(píng)分相加即得綜合評(píng)分[4－6]。試驗(yàn)中，位移和變形量指標(biāo)作為重要質(zhì)量指標(biāo)，取權(quán)數(shù)為2，而對(duì)應(yīng)力、扭曲應(yīng)力和質(zhì)量等指標(biāo)，則取權(quán)數(shù)為1，每號(hào)試驗(yàn)的綜合評(píng)分見(jiàn)表2。

1.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS進(jìn)行處理。極差分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。在正交設(shè)計(jì)中，如果沒(méi)有重復(fù)試驗(yàn)又無(wú)空白項(xiàng)時(shí)，常取其中一因素離均差平方和最小項(xiàng)作為誤差估計(jì)，從表3可知，R2的極差值最小，它對(duì)整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果影響最小，因而把它作為誤差估計(jì)，用以檢驗(yàn)其他因素作用的顯著性。剔除變量R2因素，用SPSS重新計(jì)算，得方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 極差分析結(jié)果

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3可知，各因素水平對(duì)結(jié)果影響的強(qiáng)弱順序是:H＞B1＞L＞B2＞R1＞R3＞R2。從表4可知，H對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有極顯著性影響(P=0.001＜0.01)，B1和L為顯著性影響(P＜0.05)，R1為骨架設(shè)計(jì)性能較主要影響因素，R3和R2對(duì)骨架性能影響較小。骨架性能參數(shù)的最優(yōu)組合為:H2L3B11B23R13R22R33，即:H 為 8mm、L為 21mm、B1為3mm、B2為 5mm、R1為 25mm、R2為 15mm和R3為25mm(見(jiàn)表2)。

表4 方差分析表

2 骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 骨架模型靜彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)分析

將上面正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)化模型，引入有限元仿真軟件Nastran中，轉(zhuǎn)向盤(pán)12點(diǎn)方向加載800N力，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?size 5mm、sag0.25，輪輻與輪圈連接彎角處增加控制點(diǎn)細(xì)化網(wǎng)格為1mm;賦予材質(zhì)為鎂合金 AM50A，其彈性模量為45GPa，泊松比為0.35，密度為1 770kg/m3;約束邊界條件:花鍵套上下面壓緊固定。劃分網(wǎng)格后運(yùn)算求解得到靜力場(chǎng)應(yīng)力云圖和變形位移云圖分別如圖2和圖3所示。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)和減材

從圖2和圖3可知，最大應(yīng)力為389.7MPa，最大變形量為32.5mm，應(yīng)力集中在輪輻和輪圈連接處，以及輪轂底面邊肋圓角處。轉(zhuǎn)向盤(pán)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。其加大輪轂底面的圓角和邊肋厚度，來(lái)消除應(yīng)力集中。具體為將輪輻圓角半徑設(shè)為26mm，輪圈和輪輻連接處增設(shè)弧形加強(qiáng)筋，其壁厚最大為3.5mm，輪轂底面圓角半徑由原來(lái)5mm調(diào)整為10mm，同時(shí)將圖中的邊肋厚度由5mm調(diào)整為7mm。減少輪圈和輪輻非連接處的材料，并在輪圈槽內(nèi)間隔增設(shè)一定數(shù)量的加強(qiáng)筋來(lái)保證輪圈強(qiáng)度，從而整體上減少了骨架材料，達(dá)到結(jié)構(gòu)輕易化的目的。

2.3 靜力學(xué)和疲勞分析

對(duì)改進(jìn)后的模型重新進(jìn)行靜壓試驗(yàn)和靜扭強(qiáng)度分析，求解得到相關(guān)云圖見(jiàn)圖5，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，靜壓強(qiáng)度分析中最大應(yīng)力降低22.7%，最大位移變形量降低了8.9%，骨架整體質(zhì)量減輕25g，且骨架外圈結(jié)構(gòu)的改變對(duì)靜扭強(qiáng)度分析的最大扭曲應(yīng)力和變形量幾乎沒(méi)有影響，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)有效提高了骨架的抗變形和屈服能力。

表5 改進(jìn)前后性能對(duì)比

2.4 疲勞性能分析[8－9]

在對(duì)承受221MPa外力的骨架靜壓試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)骨架的疲勞特性進(jìn)行深入研究。設(shè)定骨架材料AM50a的S-N疲勞曲線[10－11]，并引入疲勞強(qiáng)度縮減因子Kf，從而降低引起疲勞斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的N(循環(huán)次數(shù))，在綜合考慮實(shí)際試驗(yàn)條件下，將疲勞強(qiáng)度縮減因子Kf設(shè)置為0.8。循環(huán)周期設(shè)為30 000次，完全交變應(yīng)力比率R=－1。求解得到骨架的生命圖解(疲勞壽命)如圖6所示。從圖6可知，破壞因子為0.03＜1，表示無(wú)疲勞失效發(fā)生，其骨架在30 000次交變應(yīng)力循環(huán)后，結(jié)構(gòu)消耗壽命比率為3%，說(shuō)明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)疲勞性能安全。

3 物理樣機(jī)性能試驗(yàn)

根據(jù)上述改進(jìn)設(shè)計(jì)，開(kāi)模壓鑄完成了骨架新樣品的試制。經(jīng)過(guò)國(guó)家轎車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Q/TF08—2004對(duì)樣品進(jìn)行性能檢測(cè)。共進(jìn)行靜彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)、靜彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)圖7，每個(gè)試驗(yàn)取3個(gè)樣品。

試驗(yàn)要求和結(jié)果如表6所示。

表6 性能試驗(yàn)要求與結(jié)果

4 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬正交試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的重要次序?yàn)?H＞B1＞L＞B2＞R1＞R3＞R2。最佳設(shè)計(jì)參數(shù)為:H2L3B11B23R13R22R33。其中，H、B1和L參數(shù)的改變對(duì)骨架綜合性能有顯著性影響。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化骨架結(jié)構(gòu)，可有效避免應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)性能缺陷。進(jìn)而在保證強(qiáng)度的前提下適當(dāng)減少部位材料，實(shí)現(xiàn)骨架結(jié)構(gòu)的輕量化。

(3)骨架實(shí)物經(jīng)靜壓強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)分析載荷下變形量符合要求，靜壓疲勞強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)下花鍵及骨架無(wú)斷裂等損壞，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果和基于虛擬正交試驗(yàn)的骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性。

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