汽車輕型前橋殼工業(yè)再設計案例

每一位工程師在因循傳統(tǒng)設計方法和標準進行產品研制時，腦海里總會有一些天馬行空的想法，現實與理想的差距，讓他們漸漸遺忘了承載著自己科學家夢想的大膽設想。但科技的偉大正在于，它能把這些想法變成現實。事實上，在微軟和Google等科技巨頭的組織架構中，都有一個特別的部門，專職負責把科幻小說里的東西變成現實。

今年8月，安世亞太公司與蘇氏集團結為戰(zhàn)略聯(lián)盟，推出工業(yè)再設計新戰(zhàn)略，集合雙方優(yōu)勢資源和能力，將成熟的工程仿真技術、工業(yè)品再設計方法與精密鑄造工藝結合，成為安世亞太向“深入服務工業(yè)企業(yè)”邁進的重要一步。而其“‘無論產品結構怎樣復雜皆可制造為前提的工業(yè)再設計”概念和“仿真引領工業(yè)再設計”的氣魄，立即吸引了業(yè)界廣泛關注，是噱頭，還是新突破？為什么是安世亞太恰逢其時地準確對話《中國制造2025》？

首先，工業(yè)品再設計的實現通常有三種渠道：

渠道一，是基于原始設計進行分析，通過對結果的判斷，并利用設計者既往經驗和知識，實現工業(yè)品的再設計。這一方式趨于傳統(tǒng)，對設計者的設計經驗和設計水平的要求較高。

渠道二，是基于原始設計結果和分析結果，人為地對仿真計算效果進行分析，判斷哪些地方較弱，需要加強；而哪些地方可以進一步改進。因此，這需要設計者有豐富的仿真分析經驗和技術積累。

渠道三，是基于先進手段，利用拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等技術，形成最優(yōu)方案。這是再設計的最佳方式，也是未來實現正向設計的重要突破渠道。

由此可見，無論選擇任一渠道，若想跳脫傳統(tǒng)設計束縛，突破既有標準規(guī)范，工程仿真至關重要，它將引領未來工業(yè)再設計進程。安世亞太20年工程仿真技術的探索歷程，20年各多行業(yè)多領域多學科的工程實踐經驗，也將厚積薄發(fā)，一朝怒放！巨大能量井噴的誘發(fā)者，正是蘇氏集團“精密鑄造技術”。

長期以來，工業(yè)品的設計受制于工藝加工技術，因此工程師們不會設計一個無法或不值得加工和量產的產品。正因為加工和安裝方面有不可突破的障礙，使得當前的產品必須由大量的零部件裝配而成。這種非必要但不得已的裝配形態(tài)，對產品的性能、可靠性、重量、體積、載重、材料、動力、成本、能耗和環(huán)保等方面都具有負面影響。蘇氏一體化精密鑄造“無論產品結構怎樣復雜皆可制造”的創(chuàng)新性工藝釋放了設計潛能，為工業(yè)品研制打開了一扇巨大的窗戶，為產品創(chuàng)新和質量的提升提供了無限空間。

那么，工業(yè)再設計如何實現“將設計回歸需求本源”和“無論產品結構怎樣復雜皆可制造”？本文中輕型前橋殼再設計案例，清晰完整地展示了從產品結構優(yōu)化設計到加工制造的全過程，將工業(yè)再設計過程完整地呈現出來。

一、項目背景

驅動橋殼是底盤中最主要的承載部件，又是汽車運動主要傳力部件，同時還是驅動橋等其他總成（主減速器、差速器和半軸等）的外殼，起到安裝支撐和保護作用。驅動橋殼的剛度、強度和疲勞壽命是設計時必須加以考慮的重要指標。而傳統(tǒng)前橋殼具有多零件、多焊縫和多連接的特點。因此產品焊縫強度、螺栓連接強度等都成為影響產品質量的重要因素，而近百個零部件和焊縫的存在，無疑為產品質量的保證帶來巨大壓力。

某汽車制造企業(yè)在長期研制和大量實踐后也發(fā)現，一方面，軍用車輛戰(zhàn)技指標中，重量嚴重制約其作戰(zhàn)使用效率和功能，減重是設計不懈追求的目標；另一方面，設計和鑄造水平無法支撐時，用優(yōu)質鋼板機械成型后再焊接為整體部件是前橋殼采用的較好工藝手段，缺陷是設計和工藝受限，無法減重，同時也由于零部件數量多，焊縫多，還常出現焊接過程變形等問題。如何實現前橋殼結構設計的突破？

二、解決方案

結合用戶企業(yè)需求，采用工業(yè)再設計方法：在精密成型工藝的保證下，利用拓撲優(yōu)化方法對產品結構進行優(yōu)化，放空設計標準和規(guī)范限制，從前橋殼結構需求本身出發(fā)，對前橋殼進行拓撲優(yōu)化設計。精密成型工藝與拓撲優(yōu)化相結合，優(yōu)勢在于以下幾點。

打破束縛，拓寬前橋殼的優(yōu)化空間。

利用一體化成型精密鑄造工藝，生產成形橋殼，非沖焊橋殼，可以忽略焊接及其他連接的影響。

在精密鑄造技術“不論多復雜都可以制造”的技術優(yōu)勢保證下，只要合理設計即有制造加工的可能。

1.拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化一般有三大方法：變厚度法、變密度法及均勻化方法，結合前橋殼結構力學特性，又包括：剛度、靜強度、疲勞與斷裂、固有頻率和振動。無論采用何種優(yōu)化算法、力學指標或試驗類型，最優(yōu)拓撲結構形式只考慮到結構的性能。結構的設計還需要滿足制造工藝、裝配關系等設計要求，需要在拓撲優(yōu)化的基礎上進行結構設計，模糊的拓撲結構提供的是一個取值范圍，更利于后續(xù)設計。

安世亞太的工程專家和仿真專家，結合多年在專業(yè)領域的工程咨詢和服務經驗，基于對企業(yè)產品和客戶需求的充分了解，制定詳細拓撲優(yōu)化方案：使用GENESIS StructuralOptimization工具，對前橋殼進行結構優(yōu)化，使得剛度下降，位移增大，但根據QC/T534-1999《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》的規(guī)定，剛度和強度指標依舊在可通過范圍內。拓撲優(yōu)化可行，減重50%。

2.仿真分析與試驗

基于拓撲優(yōu)化結果，對前橋殼模型進行了完整全面的仿真分析和方案比對。組合應用Space Claim和ANSYS軟件，進行結構和幾何前處理。按照QC/T533-1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》規(guī)范要求，進行邊界條件設定和載荷計算。并通過材料影響分析，前橋殼由材料鑄鋼替換為鑄鋁（ZL114A）。

在進行臺架試驗邊界約束影響分析時，采用簡支支撐邊界條件。這是汽車驅動橋臺架試驗通常采用的約束情況，并進行了現場臺架試驗。

3.精密成型

借助SIIC技術，采用精密成型工藝，把幾十個鋼板材零件焊接的前橋殼本體集成，用熔模精密鑄造技術整體成型為1個鋁質零件，實現前橋殼的輕量化設計和制造。

此外，需要強調的是，根據前橋殼整體強度分析結果，精密鑄造工藝能夠在鑄造過程中，通過材料密度和厚度等，調整前橋殼不同位置的強度，進而有效保證了前橋殼的整體強度和質量。

三、客戶價值

目前市場上普通前橋殼由多達上百個零部件構成，即使悍馬前橋總成，最終也包含40多個零部件。國內某汽車制造企業(yè)，甚至曾投入數億資金，力圖縮減前橋殼零部件數量，減少焊縫，但最終也并未達到預期效果。

因此，該項目成功地打破了我國汽車前橋殼設計和研制的傳統(tǒng)束縛，避免了前橋殼由于零部件數量多和焊縫多等因素帶來的諸多質量隱患，通過一體化成型技術，將零部件數量化繁為簡，提高了前橋殼的整體強度。經過優(yōu)化設計和精密成型工藝加工制造，新的前橋殼整體重量減輕了60%左右。按照每個前橋節(jié)省材料費250元，我國汽車年產量3000萬臺以上計算，每年僅汽車行業(yè)就能節(jié)省材料費用數十億元。endprint