基于鑄造缺陷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度CAE的平衡懸架支架輕量化設(shè)計

張建振 吳曉濤 劉兆英 常連霞 朱 明

（1.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.云南省公安消防總隊）

1 前言

平衡懸架支架作為支撐件，承受來自路面的垂直載荷和推力桿的縱向橫向復(fù)合載荷，屬于懸架系統(tǒng)中的保安件。受支架設(shè)計階段鑄造技術(shù)和加工能力的限制，國內(nèi)的平衡懸架支架普遍比國外的質(zhì)量重。目前隨著國內(nèi)新材料、新工藝不斷應(yīng)用，平衡懸架支架成為各廠家爭相輕量化的焦點之一。

目前設(shè)計人員采用ABAQUS、Hyperworks等軟件輔助輕量化方案設(shè)計，而鑄造企業(yè)利用鑄造仿真軟件進(jìn)行鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計，兩者是分開進(jìn)行的[1]。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計與鑄造工藝方案設(shè)計之間缺乏有效溝通，尤其是結(jié)構(gòu)CAE分析時通?；诶硐氲臒o缺陷模型，并沒有考慮鑄造工藝潛在的縮松縮孔缺陷，孤立的結(jié)構(gòu)CAE分析勢必帶來極高的產(chǎn)品使用風(fēng)險[2]。為了降低該風(fēng)險，本文采取鑄造CAE和結(jié)構(gòu)CAE分析協(xié)同方式進(jìn)行設(shè)計。

2 支架輕量化的可行性方案

支架輕量化采用傳統(tǒng)設(shè)計方法時，經(jīng)常會出現(xiàn)因與制造脫節(jié)導(dǎo)致反復(fù)修改而耽誤開發(fā)進(jìn)度，甚至產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)的現(xiàn)象。由于能夠徹底根除傳統(tǒng)設(shè)計弊端，面向制造與裝配的產(chǎn)品設(shè)計（DFMA）在國外廣泛應(yīng)用，近幾年才開始在中國應(yīng)用。本次設(shè)計也是基于DFMA方法中的有關(guān)原則[3]，通過以下途徑來實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)：

a. 將原有支架和軸組合改成支架軸一體。該措施能夠使支架軸連接區(qū)域的質(zhì)量有效減輕，同時減少零件數(shù)目，降低零件的綜合成本。

b. 優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械加工成本。通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和鑄造工藝來減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，通過優(yōu)化機(jī)械加工空間以便選擇簡單機(jī)械加工工藝。

c. 提升零件可靠性。參考原有支架的故障率及損壞模式，將原有薄弱位置適當(dāng)加強(qiáng)，提高壽命。

d. 減少裝配工序和裝配時間，降低裝配成本。合理選擇公差設(shè)計，降低機(jī)械加工難度，提高機(jī)械加工效率，如采用相同直徑的孔等。

e. 合理檢測，降低產(chǎn)品不良率。設(shè)計階段應(yīng)用紅黃綠模型方法實現(xiàn)設(shè)計師-鑄造廠家之間的互相檢查，以保證鑄造結(jié)構(gòu)的制造性和成本合理性；同時在設(shè)計圖紙中明確規(guī)定支架危險區(qū)域的材料指標(biāo)，以保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量。

f. 合理選擇材料及工藝。選用高強(qiáng)度高延伸率的球墨鑄鐵，進(jìn)行薄壁件設(shè)計。

通過以上措施，初步估算結(jié)構(gòu)質(zhì)量能減輕40%，成本大約降低10%。

3 平衡懸架支架前期概念設(shè)計

拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點是能在結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钗炊ǖ那闆r下，根據(jù)給定的設(shè)計空間找出最佳的材料分布。該方法在支架前期設(shè)計[4]中應(yīng)用較多，其中合肥工業(yè)大學(xué)的石作維等人利用Hyperworks對平衡軸支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，達(dá)到了很好的效果[5]。本文將利用Altair Optistruct拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用到平衡懸架支架的輕量化前期設(shè)計中，采用約束體積解決系統(tǒng)最小柔度問題。

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化方法

在各種拓?fù)鋬?yōu)化方法中，比較有代表性的為均勻化方法和變密度法，這也是Altair Optistruct在拓?fù)鋬?yōu)化中所使用的方法。

變密度法的基本思想是人為引入一種假想的密度可變材料，其物理參數(shù)與材料密度之間的關(guān)系是人為假定的。本文利用變密度法進(jìn)行優(yōu)化，采用載荷作用下結(jié)構(gòu)的柔度最?。磻?yīng)變能最?。┳鳛閮?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，其約束為待優(yōu)化區(qū)域的總體積。優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為：

最小化：

式中，X=（x1，x2，···，xn）是設(shè)計變量；f（X）為目標(biāo)函數(shù)；g（X）、h（X）為約束函數(shù)；為 Xi的下限；為Xi的上限。

3.2 支架拓?fù)鋬?yōu)化

利用Altair Optistruct軟件對支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，計算時準(zhǔn)備數(shù)據(jù)如下。

模型空間:除與其它件連接位置之外的支架其余部分填充形成的空間;優(yōu)化工況為垂直工況，支架有限元模型及加載示意如圖1所示；邊界：對車架縱梁兩端施加固定約束，對橫梁縱向?qū)ΨQ面施加縱向?qū)ΨQ約束；載荷：平衡軸線與板簧中心面交點處加最大垂直載荷（源于載荷譜）；優(yōu)化目標(biāo)：系統(tǒng)柔度（應(yīng)變能）最??；約束：支架的體積為原體積的30%；計算所需材料性能數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 計算用材料特性

從拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖（圖2）可以看出，深灰色部分為結(jié)構(gòu)中必須保留的部分，淺灰色區(qū)域為需要考慮刪減的區(qū)域，而中間空白區(qū)域為優(yōu)化設(shè)計時可以減少材料的部分。基于此對初步設(shè)計的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的鑄造模擬和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模擬。

4 兼顧鑄造工藝的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計

由于鑄造過程中縮孔縮松缺陷的存在，可能會產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力集中和應(yīng)力再分配，進(jìn)而影響抗疲勞性能。隨著局部縮孔縮松缺陷的增大，其引起的局部應(yīng)力集中也會增大，從而產(chǎn)生局部塑性變形和微裂紋現(xiàn)象，最終導(dǎo)致失效[6]。AchimEgner Walter博士[7]指出，鑄造件的微觀組織和孔隙率以及鑄造工藝殘余的應(yīng)力狀態(tài)會對零件可靠性產(chǎn)生重大影響，需要將鑄造工藝模擬結(jié)果（含縮孔、鑄造應(yīng)力等缺陷）導(dǎo)入并迭加到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度軟件計算出的工作應(yīng)力中進(jìn)行可靠性分析，以預(yù)測含缺陷鑄件在各種工況下的安全系數(shù)。

考慮到目前鑄造模擬結(jié)果不具備導(dǎo)入結(jié)構(gòu)CAE的條件，采用將結(jié)構(gòu)CAE分析預(yù)測的危險斷面與鑄造CAE分析的缺陷位置進(jìn)行比較的方法，如果兩者位置靠近或重疊，則斷面出現(xiàn)失效的可能性較大，需重新調(diào)整結(jié)構(gòu)方案或鑄造工藝方案。

4.1 結(jié)構(gòu)鑄造工藝分析

利用MAGMA軟件進(jìn)行鑄造工藝分析，其模擬結(jié)果如圖3所示。可知，輕量化支架結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)域數(shù)量有所減少，并且在最可能出現(xiàn)斷裂的軸上部現(xiàn)縮孔縮松的幾率遠(yuǎn)小于未輕量化支架。針對鑄造模擬中存在的軸部位的熱節(jié)，通過改動局部結(jié)構(gòu)和改善鑄造工藝系統(tǒng)等措施彌補(bǔ)，經(jīng)過整體支架X射線探傷，沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。

4.2 基于鑄造工藝模擬結(jié)果的結(jié)構(gòu)CAE對比分析

4.2.1 基于鑄造模擬結(jié)果的支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)合輕量化支架鑄造模擬結(jié)果和鑄造廠家的結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議，對可能出現(xiàn)縮孔縮松缺陷的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部改進(jìn)，主要從5方面進(jìn)行設(shè)計：

a. 簡化傳力路徑，提高材料利用率；

b. 將不易加工內(nèi)孔端倒角直接鑄出，替代機(jī)械加工倒角方式，提高機(jī)械加工效率；

c. 過渡結(jié)構(gòu)采用圓弧自然過渡，降低應(yīng)力集中；

d. 直筋改圓弧筋，降低筋根部的應(yīng)力集中；

e. 多筋少面處理，降低鑄造缺陷。

經(jīng)改進(jìn)后的輕量化支架與未輕量化支架結(jié)構(gòu)對比如圖4所示。

4.2.2 輕量化支架后期驗證

利用ABAQUS軟件、FEMFAT對輕量化支架進(jìn)行強(qiáng)度及安全系數(shù)分析。垂直工況下輕量化支架應(yīng)力云圖如圖5所示。結(jié)果表明，輕量化支架雖然應(yīng)力提高了30MPa，但由于材料強(qiáng)度高，導(dǎo)致最終安全系數(shù)比原有支架提升30%，同時質(zhì)量減輕40%，成本降低5%（表2）。

表2 支架輕量化前、后對比

隨機(jī)抽取兩種支架各3個進(jìn)行臺架垂直疲勞對比試驗，可知輕量化支架最低疲勞次數(shù)是未輕量化支架的1.5～1.8倍, 輕量化支架斷裂形式如圖6所示。同時搭載支架進(jìn)行可靠性道路試驗的整車行駛2×104km，運行狀況良好。因此,可以證明支架輕量化設(shè)計是成功且可靠的。

5 結(jié)束語

根據(jù)低成本輕量化原則論證支架輕量化的可行性，采用拓?fù)鋬?yōu)化、鑄造工藝模擬和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度CAE分析協(xié)同進(jìn)行的方式進(jìn)行支架的輕量化設(shè)計。后期臺架試驗表明，采用該方式能夠有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品周期、降低產(chǎn)品成本。

1 朱顏.CAE技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2008（10）:31～34.

2 張建振，常連霞，馬文松.平衡懸架失效模式與影響的有限元分析.汽車設(shè)計，2009（10）：9～12.

3 鐘元.面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計指南.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

4 楊樹凱，朱啟昕，吳仕賦.基于有限元技術(shù)的汽車支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計研究.汽車設(shè)計，2006（3）：16～18.

5 石作維，居剛，呂新生，等.基于Hyperworks的平衡軸支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計.計算測量與控制，2009，17（1）：78～82.

6 Nadot Y,Mendez J,Ranganathan N.Influence of casting defects on the fatigue limit of nodular cast iron.International Journal of Fatigue,2008,30:989～995.

7 Dr.Achim Egner-Walter.Gieβsimulation als Werkzeug zur Vorhersage lokaler Bauteileigenschaften.FEMFAT User Meeting，2009..

8 馬波.精鑄件CAE技術(shù)集成應(yīng)用探討.中國精密鑄造年會論文,2011.