復合空氣懸架用導向臂支架輕量化設計

趙化剛，申伶，范學瓊，張博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

復合空氣懸架用導向臂支架輕量化設計

趙化剛，申伶，范學瓊，張博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章基于catia結構設計，結合hyperworks等有限元分析軟件，參考拓撲優(yōu)化結果完成復合空氣懸架用導向臂支架的輕量化設計。該方法對相關零部件的設計優(yōu)化有一定參考價值。

導向臂支架；有限元分析；拓撲優(yōu)化；輕量化

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-131-02

引言

隨著國內快遞物流運輸?shù)呐d起，用戶對車輛的輕量化、舒適性有了更高的要求，而復合空氣懸架由于具有重量輕、舒適性好、懸架高度可調的特點而受到廣泛關注。

為進一步體現(xiàn)復合空氣懸架重量輕的優(yōu)勢，本文以該懸架系統(tǒng)中的導向臂支架作為研究對象，借助拓撲分析及有限元計算工具，進行輕量化設計。

1、現(xiàn)有結構結構強度及疲勞分析

導向臂支架需承受來自導向臂的縱向力、側向力及扭轉力矩，此支架的強度對整車行駛過程中的安全性有至關重要的影響。

1.1 有限元模型

如圖1所示，采用HyperMesh對該支架進行網(wǎng)格劃分，同時為模擬實際約束條件，通過截取部分車架，將導向臂支架通過螺栓與車架連接為一個整體。其中，車架總成采用面網(wǎng)格，導向臂支架采用體網(wǎng)格。

1.2 約束邊界條件

對車架兩端進行全約束，導向臂支架與車架之間采用10 條M14×1.5螺栓連接，在導向臂總成在導向臂支架處安裝中心點加載。

圖1 有限元模型

1.3 載荷邊界條件

表1 工況及載荷

根據(jù)該支架在懸架系統(tǒng)中的作用，按以下四個工況進行加載分析：超載工況；重載急轉彎；重載強制動；車架扭轉。具體加載力見表1，數(shù)據(jù)提取于整車多體分析。

1.4 結構強度及疲勞分析

1.4.1 靜強度分析

該支架所用材料為QT500-7 ，按以上約束及載荷條件，對原方案支架進行靜強度分析。經(jīng)分析，如圖2所示，各工況安全系數(shù)分別為：3.79、9.05、3.39、1.54。

圖2 原方案分析應力云圖

2、拓撲優(yōu)化

為達到輕量化設計目的，縮短設計周期，采用拓撲優(yōu)化手段改變材料布局，從而實現(xiàn)不降低強度同時實現(xiàn)輕量化。

2.1 拓撲優(yōu)化方法

目前常用的連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法有均勻化方法、變密度法和漸進結構優(yōu)化法等。本文采用變密度法進行導向臂支架的拓撲優(yōu)化，其基本思想是引入一種假想的密度在0~1之間的密度可變材料，將連續(xù)結構體離散為有限元模型后，以每個單元的密度為設計變量，將結構的拓撲優(yōu)化問題轉化為單元材料的最優(yōu)分布問題。

2.2 導向臂支架的優(yōu)化設計

在HyperMesh 中把離散后的有限元模型劃分成設計空間和非設計空間，定義設計變量、設計目標和約束條件，通過ptiStruct 求解器對拓撲模型進行優(yōu)化計算，在HyperView 中進行后處理，最后利用RADIOSS求解器對重新設計的優(yōu)化模型進行性能分析。

2.3 設計空間和非設計空間

將螺栓連接部位及導向臂安裝部位設置為非設計空間，而設計空間是在保證零件之間不發(fā)生干涉的情況下以原結構為基礎， 根據(jù)零部件與周圍相連部件間的靜態(tài)裝配關系、運動關系等條件而確定的?；谝陨显瓌t且保證優(yōu)化過程中的拓撲空間，完成該支架拓撲優(yōu)化空間，如圖3所示。

圖3 拓撲優(yōu)化模型

2.4 拓撲優(yōu)化

該導向臂支架拓撲優(yōu)化主要綜合考慮3 種載荷工況下結構全局應力約束、關鍵點的位移約束和體積比約束等。模型全局應力約束上限值為280 MPa；設定導向臂支架的體積比上限為0.5，即最多保留拓撲模型總體積的50%； 保證優(yōu)化后模型第1 階頻率不低于原結構；設定載荷集中點的位移約束為最大位移1.5 mm；考慮設計零件的可制造性，使用脫模方向約束創(chuàng)建拓撲優(yōu)化設計變量，允許模具沿給定方向滑動。

2.5 拓撲結果

利用HyperWorks中的OptiStruct平臺進行拓撲優(yōu)化，圖4為導向臂支架拓撲優(yōu)化空間的材料密度分布云圖。

圖4 拓撲優(yōu)化結果

根據(jù)拓撲優(yōu)化結果，綜合鑄造工藝、設計經(jīng)驗，利用catia軟件完成優(yōu)化方案設計。

2.6 優(yōu)化前后性能對比

按原方案約束及載荷邊界條件對優(yōu)化后的方案進行靜強度分析，得到的優(yōu)化方案應力云圖見圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案應力云圖

與原方案靜強度進行對比分析，結果見表2所示。

表2 靜強度安全系數(shù)對比

由表2可知，優(yōu)化方案的安全系數(shù)雖較原方案均略有下降，但均不小于1，可滿足使用要求。而作為本次優(yōu)化的重點關注項目，優(yōu)化方案實現(xiàn)降重19%，不僅成功實現(xiàn)降重目標，且提升了鑄造工藝性及美觀性，同時降低了裝配工人的勞動強度。

[1] 楊銀輝,上官望義,馬生平,楊忠平,司震鵬.基于HyperWorks 導向臂支架的結構優(yōu)化及改進設計.汽車實用技術,2014(10).

[2] 趙永輝,馬力,王元良,等．自卸車舉升機構三角臂拓撲優(yōu)化設計.專用汽車.2007(9):33~34.

The Lightwight Design of Guiding arm bracket used in Hybrid air suspension

Zhao Huagang, Shen Ling, Fan Xueqiong, Zhang Bo
( Shaanxi Heavy Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Based catia design, combined hyperworks and other finite element analysis software, the reference topology optimization results complete air suspension with lightweight composite design guiding arm bracket. The method of design optimization related parts have a certain reference value.

guiding arm bracket; finite element analysis; topology optimization; lightweight

U462.1

A

1671-7988(2016)07-131-02

趙化剛，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，主要從事產(chǎn)品設計開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.041