某商用車橡膠緩沖塊優(yōu)化設(shè)計

郭長城， 馬驍姣

（一汽通用輕型商用汽車有限公司，長春130000）

0 引言

雙橫臂獨立懸架結(jié)構(gòu)作為一種非常成熟的設(shè)計，由于其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，便于布置安裝等特點，廣泛應(yīng)用于各種商用汽車上。橡膠緩沖塊一般安裝在下橫臂上，主要起到限制輪胎跳動上限的作用，同時也具有一定的緩沖減振效果。由于橡膠緩沖塊的形狀設(shè)計不合理，材質(zhì)選擇不正確等因素，會造成在實際使用過程中出現(xiàn)損壞的情況。其中影響橡膠緩沖塊壽命的主要因素包括橡膠材質(zhì)和設(shè)計形狀。橡膠材質(zhì)主要有天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）和聚氨酯（PUR），其中，天然橡膠價格最低，性能最差；聚氨酯橡膠價格最高，耐磨性、耐臭氧性和緩沖效果最好；丁苯橡膠在價格和性能上介于兩者之間。所以從保證使用功能與節(jié)約成本的角度，本文橡膠材質(zhì)選定為丁苯橡膠。橡膠緩沖塊的加工形狀也是多種多樣，主要根據(jù)工作環(huán)境的不同，受力方向和大小不同，設(shè)計不同的形狀，常見的有圓錐形、橢圓形和正方體等形狀。

HyperWorks是由Altair公司設(shè)計研發(fā)的一款有限元仿真軟件，OptiStruct模塊能夠提供高效的優(yōu)化設(shè)計分析，可以完成尺寸優(yōu)化，形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，為汽車零部件的設(shè)計開發(fā)提供理論依據(jù)，得到十分廣泛的應(yīng)用。

1 OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化簡介

拓?fù)鋬?yōu)化是現(xiàn)今使用最為頻繁、使用效率非常高的設(shè)計優(yōu)化手段。所謂拓?fù)鋬?yōu)化，又稱作結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化［1］，是結(jié)合模型實際受力和約束情況，通過模塊操作對模型施加載荷和約束，并設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，從而尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)的優(yōu)化方案。目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要應(yīng)用在航空、航天、汽車、機械、土木、水利、橋梁、鐵路等諸多領(lǐng)域，幫助解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、消除應(yīng)力集中、提高機械性能和使用壽命等很多問題。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計流程主要包括：三維數(shù)模的建立，Hypermesh前處理，設(shè)定設(shè)計區(qū)域、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件，并通過OptiStruct中的求解器進行疊加運算，最終得到優(yōu)化結(jié)果文件。目前比較常用的優(yōu)化方法有：變密度法、均勻法和逐漸結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，其中變密度法應(yīng)用最為廣泛，變密度法的基本思想是將連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散為有限元模型，同時以各個單元的密度作為設(shè)計變量，假定在密度值為［0，1］的范圍內(nèi)密度可變材料，將模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧牧系淖顑?yōu)分布問題［2］。拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計流程圖

2 有限元建模

2.1 原設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

某商用車下橫臂上橡膠緩沖塊的結(jié)構(gòu)為正方體設(shè)計，材料為丁苯橡膠。根據(jù)其受力情況，為防止應(yīng)力分布不均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，該緩沖塊上部設(shè)計采用傾斜結(jié)構(gòu)，從而保證橡膠緩沖塊與車架擋板接觸完全。但該設(shè)計方案存在結(jié)構(gòu)過于笨重、使用材料過多等缺點，這樣不但造成材料浪費，影響整車成本，同時違反汽車輕量化原則。橡膠緩沖塊三維數(shù)模如圖2所示。

圖2 橡膠緩沖塊數(shù)模

對原有橡膠緩沖塊通過HyperMesh軟件進行有限元建模分析。首先使用UG軟件建立橡膠緩沖塊三維數(shù)模，保證橡膠緩沖塊形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)合理。三維數(shù)模建立后，導(dǎo)入Hypermesh軟件中，進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)實際安裝和受力情況施加約束和外力。由于模型形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)簡單，采用四面體網(wǎng)格進行劃分，對計算結(jié)果精度不會產(chǎn)生影響，有限元模型網(wǎng)格數(shù)是59972。約束模型下端6個自由度，根據(jù)橡膠緩沖塊的臺架試驗要求，并考慮橡膠緩沖塊實際受到的沖擊載荷情況，在模型上表面通過剛性RBE2連接施加載荷F=12000 N。觀察應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可知，應(yīng)變是由受力面向下逐漸減小，且主要變形集中在受力面上，符合橡膠緩沖塊的實際變形情況。同時，由實際使用情況和應(yīng)力云圖可知，應(yīng)力主要集中在橡膠緩沖塊的中間受力部位，所以原設(shè)計存在可以優(yōu)化的空間。原設(shè)計應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖3所示。

圖3 原設(shè)計應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖

2.2 橡膠緩沖塊拓?fù)鋬?yōu)化分析

本文采用變密度法進行拓?fù)鋬?yōu)化分析，通過OptiStruct模塊設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)Objective為體積最小，并設(shè)定了響應(yīng)、約束和設(shè)計變量。通過求解器疊加運算，完成拓?fù)鋬?yōu)化分析［3］。拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型如圖4所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

通過觀察拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可以看出，材料的紅色區(qū)域為非設(shè)計區(qū)域，該區(qū)域原則上必須存在。藍(lán)色區(qū)域為設(shè)計區(qū)域，可以根據(jù)設(shè)計者實際情況進行利用，但是并不意味著藍(lán)色區(qū)域均可直接刪除。拓?fù)鋬?yōu)化是概念設(shè)計階段的一種優(yōu)化方法，為設(shè)計人員提供一種設(shè)計思路，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果為橡膠緩沖塊的結(jié)構(gòu)改進提供了理論支撐和方向。在實際的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，要考慮到模具開發(fā)情況、零件的加工情況和工藝安排情況，進行合理設(shè)計。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3 橡膠緩沖塊結(jié)構(gòu)改進

通過拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可以知道，主要承受載荷的部分為紅色區(qū)域，也就是主要集中在緩沖塊上部中心位置，以及下部大部分區(qū)域，同時側(cè)面局部區(qū)域也承受載荷。根據(jù)這種優(yōu)化設(shè)計思路，對橡膠緩沖塊模型重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。綜合考慮加工和生產(chǎn)工藝需求，應(yīng)用UG軟件重新設(shè)計緩沖塊結(jié)構(gòu)［4］。最終優(yōu)化后模型如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后模型

對優(yōu)化后的橡膠緩沖塊模型進行有限元分析，通過觀察應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，優(yōu)化后的模型完全符合理論設(shè)計要求和實際加工要求。優(yōu)化后的橡膠緩沖塊樣件完成了30萬次的臺架疲勞試驗以及整車道路測試，試驗結(jié)果均滿足使用要求。優(yōu)化后模型應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后模型應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

通過對橡膠緩沖塊模型的拓?fù)鋬?yōu)化分析，得出分析結(jié)論。參考優(yōu)化結(jié)果，重新設(shè)計橡膠緩沖塊結(jié)構(gòu)，并對新結(jié)構(gòu)進行有限元分析和試驗驗證，驗證結(jié)果表明，新狀態(tài)的緩沖塊完全滿足使用要求。

通過對橡膠緩沖塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不但改進了設(shè)計，提高橡膠緩沖塊的使用壽命，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，同時還有效地實現(xiàn)了減輕重量的目的。通過對比可知，原狀態(tài)的緩沖塊質(zhì)量為0.171 kg，新狀態(tài)的緩沖塊質(zhì)量為0.158 kg，單個緩沖塊減重0.013 kg，整車實現(xiàn)減重0.026 kg，由于橡膠緩沖塊質(zhì)量的減少，加工生產(chǎn)成本相應(yīng)降低，考慮到該車型整個生產(chǎn)和銷售周期，實現(xiàn)了整車成本的下降，提高了利潤。

［1］ 梁江波，呂景春.基于HyperWorks發(fā)動機支架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計［J］.重型汽車，2009（3）：16－17，39.

［2］ 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于Hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］ 吳中博，李書.基于Optistruct的結(jié)構(gòu)靜力拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計［J］.航空計算技術(shù)，2006（3）：16-17.

［4］ 朱文正，劉健新.普通橡膠緩沖裝置設(shè)計方法研究［J］.廣州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，5（2）：59-62.