巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王新建，張 蕊，耿 杰，鐘海濤

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽（Baja SAE China）是由中國汽車工程學(xué)會(huì)主辦、在各院校間開展的小型越野賽車設(shè)計(jì)和制作的競賽[1]。轉(zhuǎn)向節(jié)作為賽車底盤系統(tǒng)一個(gè)重要的零部件，連接著雙橫臂獨(dú)立懸架的上下擺臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、制動(dòng)卡鉗和輪轂，其作為四者之間的主要傳力部件，形狀較為復(fù)雜[2]。轉(zhuǎn)向節(jié)作為非懸掛質(zhì)量部件，一直是各車隊(duì)輕量化的主要研究對(duì)象之一，又由于賽道的復(fù)雜性，在比賽過程中也時(shí)常會(huì)有車隊(duì)因?yàn)檗D(zhuǎn)向節(jié)的過度輕量化導(dǎo)致無法繼續(xù)進(jìn)行比賽。因此，一款質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的轉(zhuǎn)向節(jié)對(duì)于比賽來說至關(guān)重要。

本文將提取轉(zhuǎn)向節(jié)在典型極限工況下的載荷，結(jié)合ANSYS workbench有限元仿真對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的仿真分析，通過形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)來減輕轉(zhuǎn)向節(jié)的質(zhì)量，最后再次對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真分析，校驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)以鈑金焊接為基礎(chǔ)，立柱部分采用槽型作為主體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向梯形臂采用槽型與立柱焊接在一起，制動(dòng)卡鉗安裝位采用平板與立柱垂直焊接；由于全地型賽車需要較高的離地間隙來提高通過性，因此將下懸臂安裝位提升到與轉(zhuǎn)向節(jié)軸同一水平面，并與轉(zhuǎn)向節(jié)軸一體加工，減少焊接帶來的強(qiáng)度損失，轉(zhuǎn)向節(jié)的上懸臂安裝位在保證不與輪輞干涉的前提下，與立柱槽型截面進(jìn)行焊接。轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元仿真

2.1 受力分析

轉(zhuǎn)向節(jié)載荷的施加以上下懸臂安裝位以及轉(zhuǎn)向橫拉桿安裝位做為固定約束，利用緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)向、越過不平路面3種危險(xiǎn)工況下輪上載荷作為輸入進(jìn)行分析[3-7]。巴哈賽車參數(shù)如表1所示。

表1 巴哈賽車參數(shù)

2.1.1 緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)向節(jié)軸上的大、小軸頸處受到輪胎經(jīng)軸承傳遞過來的縱向力及垂直反力，將其分解為法向反力FZ1和切向反力FX1。此時(shí)緊急制動(dòng)及越過不平路面工況下的受力情況如圖2所示。

圖2 緊急制動(dòng)及越過不平路面工況下的受力情況

法向反力為：

切向反力為：

2.1.2 急轉(zhuǎn)向工況

急轉(zhuǎn)向工況在側(cè)傾狀態(tài)下內(nèi)外兩輪所受的側(cè)向力和垂直反力不同，由此因側(cè)向力與垂直反作用力產(chǎn)生的力矩方向也不同，針對(duì)這一現(xiàn)象以左急轉(zhuǎn)向下的外側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象，此時(shí)外側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的彎矩M1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的彎矩M2。急轉(zhuǎn)向下的受力情況如圖3所示。

圖3 急轉(zhuǎn)向下的受力情況

法向反力為：

側(cè)向反力為：

由于FY1作用在車輪上，在將其平移到轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處時(shí)，必須加上由FY1對(duì)車輪產(chǎn)生的力矩：

2.1.3 越過不平路面工況

在耐久賽道上賽車經(jīng)常要通過炮彈坑、輪胎陣、亂石堆等路況。因此，在給定動(dòng)載系數(shù)時(shí)將動(dòng)載系數(shù)提升到2.5來研究賽車越過不平路面工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)垂直受力。由于賽道上的這些障礙相對(duì)于該巴哈賽車的車輪來說較大，在經(jīng)過這些障礙時(shí)整車的縱向受力也較大，因此還應(yīng)給定一個(gè)縱向動(dòng)載系數(shù)0.8共同作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上。此路面工況下的受力情況為：

2.2 劃分網(wǎng)格

將經(jīng)過焊口補(bǔ)齊、整體合并后的模型導(dǎo)入ANSYS workbench模塊中。首先，對(duì)模型進(jìn)行材料屬性的添加，其轉(zhuǎn)向節(jié)的材料采用30 CrMo，彈性模量E=2.11×1011（N/m2=pa），泊松比μ=0.279，屈服強(qiáng)度σs：≥785（80）（MPa），密度 ρ=7.85×103（kg·m3），安全系數(shù) n=2，許用應(yīng)力[σ]= σs/2=392.5 MPa；其次，采用網(wǎng)格劃分在模型外面生成六面體單元；再次，向內(nèi)拖拉成塊；最后，在內(nèi)部添加錐形四面體單元，通過relevance模塊和relevance center模塊對(duì)可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；最終得到49 529個(gè)節(jié)點(diǎn)、28 713個(gè)單元，轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型如圖4所示[5]。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型

2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析

在上懸臂安裝位、下懸臂安裝位、轉(zhuǎn)向橫拉桿位施加X、Y、Z 3個(gè)方向位移約束，在轉(zhuǎn)向節(jié)的軸承安裝位上施加式（1）—式（8）計(jì)算所得的3種工況下所受的力及力矩后，提交給后處理進(jìn)行計(jì)算分析，得到3種工況下等效應(yīng)力如圖5—圖7所示。

轉(zhuǎn)向節(jié)在制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向節(jié)軸與立柱交點(diǎn)截面的正上方，為36.57 MPa；急轉(zhuǎn)向工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向梯形臂與轉(zhuǎn)向節(jié)軸焊接處的軸前處，為33.08 MPa；越過不平路面工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在緊急制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)附近，為52.735 MPa。因此，上述最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力392.5 MPa，具有優(yōu)化的空間。

圖5 緊急制動(dòng)工況等效應(yīng)力圖

圖6 急轉(zhuǎn)向工況等效應(yīng)力圖

圖7 越過不平路面工況等效應(yīng)力圖

3 形狀優(yōu)化

ANSYSshapeoptimization（形狀優(yōu)化模塊）是ANSYS中具有測試功能的一個(gè)模塊[8]。使用形狀優(yōu)化模塊可將結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)計(jì)算到“極限”值，根據(jù)模型有限元分析的受力情況，以優(yōu)化目標(biāo)中的減重目標(biāo)，依次將模型中受力較小的單元移除的一種方法。

3.1 形狀優(yōu)化的定義

形狀優(yōu)化分為3個(gè)部分：賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格；定義邊界條件、施加載荷以及定義優(yōu)化目標(biāo)；進(jìn)行形狀優(yōu)化。

首先，形狀優(yōu)化模塊中的前處理是基于網(wǎng)格劃分與材料賦予。其次，把上懸臂安裝位以及下懸臂安裝位設(shè)置為固定約束。由于巴哈賽車運(yùn)行工況惡劣，在某一時(shí)刻可能會(huì)發(fā)生3種極限工況同時(shí)出現(xiàn)的情況，因此將3種工況下的受力合并后統(tǒng)一乘以1.5倍的安全系數(shù)施加在轉(zhuǎn)向橫拉桿安裝位、制動(dòng)鉗安裝位以及轉(zhuǎn)向節(jié)軸上，以保證在各種工況下轉(zhuǎn)向節(jié)均能滿足其使用要求。最后，將顯示選項(xiàng)設(shè)置為非平均值，優(yōu)化目標(biāo)為減重30%，運(yùn)行ANSYS軟件得到轉(zhuǎn)向節(jié)形狀優(yōu)化結(jié)果，拓?fù)鋬?yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

從圖8可以看出，在轉(zhuǎn)向梯形臂以及制動(dòng)卡鉗安裝板中材料有冗余，其傳動(dòng)力主要通過輪廓的邊沿部分傳遞。分析圖8與3種工況下的應(yīng)力分布圖發(fā)現(xiàn)，除各零件安裝位以及立柱與轉(zhuǎn)向節(jié)軸、梯形臂、制動(dòng)卡鉗安裝板連接處外，其他位置均可進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

3.2 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)等效應(yīng)力云圖與拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，最終確定的轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖9所示。該結(jié)構(gòu)在立柱、轉(zhuǎn)向梯形臂以及制動(dòng)卡鉗安裝板上進(jìn)行了大量的圓形孔結(jié)構(gòu)的減重。

圖9 最終確定的轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

為使最終優(yōu)化完成的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足其剛強(qiáng)要求，再次建立新結(jié)構(gòu)的有限元模型，并利用3種工況下的載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核，強(qiáng)度校核如圖10-圖12所示。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足其使用要求，強(qiáng)度均小于乘以安全系數(shù)后的材料屈服強(qiáng)度320 MPa，應(yīng)變也無變大趨勢。優(yōu)化前后對(duì)比如表2所示。

圖10 緊急制動(dòng)工況強(qiáng)度校核

圖11 急轉(zhuǎn)向工況強(qiáng)度校核

圖12 越過不平路面工況強(qiáng)度校核

表2 優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)語

本文在確立了轉(zhuǎn)向節(jié)基本要求后，利用UG建模導(dǎo)入ANSYS結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析模塊，獲得了緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)向、越過不平路面3種典型極限工況下應(yīng)力云圖，分析得出其最大應(yīng)力均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處，且均小于材料的許用應(yīng)力，因此認(rèn)為該轉(zhuǎn)向節(jié)滿足靜力強(qiáng)度的要求，其主體、轉(zhuǎn)向梯形臂、制動(dòng)安裝板等處存在較大冗余量。結(jié)合ANSYSshapeoptimization（形狀優(yōu)化模塊）對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，通過對(duì)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的校驗(yàn)，顯示該轉(zhuǎn)向節(jié)滿足其設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、輕量化及其使用要求，同時(shí)利用此方法進(jìn)行輕量化輔助設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率。