鋁合金客車轉(zhuǎn)向柱支架優(yōu)化設(shè)計

郝守海 王華武 徐茂林 田靜

摘要：在整車CAE分析和實驗驗證符合裝車要求的基礎(chǔ)上，采用Hyperworks軟件對現(xiàn)有的鋁合金轉(zhuǎn)向柱支架進行有限元分析，以原有結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能為參考，采用Optistruct軟件進行拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化分析。通過三輪優(yōu)化分析，最終設(shè)計出全新的轉(zhuǎn)向柱鋁合金固定支架。結(jié)果表明，在保證轉(zhuǎn)向柱支架使用性能的情況下其重量有了明顯的降低，輕量化效果達到66.9%，同時零部件數(shù)量和鉚釘數(shù)量也有了明顯的減少，并且生產(chǎn)操作更方便。

主題詞：客車;鋁合金;Hyperworks;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U463.83+1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0015-06

隨著國際能源的日趨緊張，汽車輕量化逐漸提上日程，鋁合金化對減輕汽車自重具有重要意義，也是近幾年來國際汽車領(lǐng)域的一個研究熱點?？蛙噷崿F(xiàn)輕量化的最行之有效的措施就是利用鋁合金材料代替鋼材料，而鋁合金客車的核心技術(shù)在于骨架連接，目前連接主要有焊接和鉚接兩種。本文原轉(zhuǎn)向柱固定支架采用L形接頭、平板接頭和鋁型材骨架鉚接而成，在某客車的CAE分析中已經(jīng)證明其滿足使用要求，但在裝車過程中發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝繁瑣，生產(chǎn)效率低，而且重量偏大，因此有必要對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 原結(jié)構(gòu)方案及其有限元分析

1.1原結(jié)構(gòu)方案

原轉(zhuǎn)向柱固定支架結(jié)構(gòu)如圖1所示，其利用L形鋁合金接頭和平板接頭進行鉚接連接，并固定在鋁合金前圍骨架上，而鋁合金管材和轉(zhuǎn)向柱之間仍采用鋼制折彎板進行過渡連接。該結(jié)構(gòu)共計采用零件22個，鉚釘92個。

原鋁合金固定支架是在鋼支架基礎(chǔ)上進行簡單的鋁材替換，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且接頭較多，輕量化效果輕微。在某客車的10個工況下的CAE分析中，該鋁合金固定支架的最大應(yīng)力值為74.15 Mpa，僅為該材料疲勞極限的57%，證明其滿足使用要求。因此在優(yōu)化過程中不再對鋼結(jié)構(gòu)支架進行分析，也不再考慮轉(zhuǎn)向柱支架在整車模型上的驗證分析，僅以原有鋁合金支架為參考進行優(yōu)化，并對比優(yōu)化前后的分析結(jié)果，以確認新方案是否可行。

1.2原支架有限元分析

目前，國外大型商業(yè)CAE軟件如Hyperworks、ANSYS、Nastran、Tosca等已經(jīng)具備對結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化的能力。本文用Hyperworks軟件的Hypermesh模塊進行有限元建模，用Optistruct模塊進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

對原支架的分析，用于了解其受力變形和應(yīng)力分布情況，以便進行下一步優(yōu)化設(shè)計。支架材料特征如下表1所示：

1.2.1 有限元模型及邊界條件

進行支架有限元分析的模型包括三根前圍骨架梁、固定支架和鋼制折彎板，根據(jù)這些零部件的材料和料厚對有限元網(wǎng)格進行集合劃分，原有轉(zhuǎn)向柱固定支架CAE分析模型如圖2所示，有限元模型共分為6個集合，總計125640個單元。

對分析模型進行邊界條件設(shè)定時，約束上主要是對前圍骨架梁上方橫梁的兩端和下方豎梁的底端進行三個方向上的位移約束，而載荷的施加是在轉(zhuǎn)向柱連接的位置施加三個方向上的集中力和Y向上的扭矩載荷，具體是：工況一是施加一個豎直向下1000 N的力，工況二是施加一個與X向相反大小為1000 N的力，工況三是施加一個與Y向相同大小為1000 N的力，工況四是施加一個與Y向相同大小為100 000 Nmm的扭矩載荷。

1.2.2 原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

施加約束和載荷后，運用求解器求解，得出轉(zhuǎn)向柱支架在四個工況下的變形云圖和應(yīng)力分布云圖，如圖3和圖4所示分別為工況一支架的變形云圖和應(yīng)力云圖。

結(jié)果顯示，四個工況下的最大變形部位均在與轉(zhuǎn)向柱連接的折彎板的下端，而最大應(yīng)力點也都在折彎板上，具體數(shù)據(jù)如下表2所示：

2 新支架優(yōu)化設(shè)計

新支架的設(shè)計思路是利用一個單一的固定支架代替原有多個零部件組合而成的分體結(jié)構(gòu)，新支架采用鋁合金擠壓型材經(jīng)過切割加工制作而成。本文提出了拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化方法進行分析，在支架優(yōu)化過程中需要經(jīng)過三步操作，即鋁型材截面形狀的拓撲優(yōu)化、固定支架的三維拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。

2.1橫截面形狀拓撲優(yōu)化

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化能在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計初始階段為設(shè)計者提供一個概念設(shè)計。一般情況下，在進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化前，首先要根據(jù)要求的設(shè)計結(jié)構(gòu)特點定義結(jié)構(gòu)的初始區(qū)域，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)所要滿足的功能選擇合適的目標函數(shù)。目前結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的目標函數(shù)一般是結(jié)構(gòu)的變形能、模態(tài)頻率和由兩者共同組成的多目標函數(shù)。

在橫截面網(wǎng)格建模時，首先將原有轉(zhuǎn)向柱固定支架沿X軸進行投影，形成支架的外廓邊界。根據(jù)支架結(jié)構(gòu)形式確定出如圖5所示的CAE拓撲優(yōu)化模型，網(wǎng)格邊長設(shè)定為1 mm，并將其劃分為兩個集合，一個是外圈不參與拓撲優(yōu)化的網(wǎng)格，另一個是進行拓撲優(yōu)化的內(nèi)部網(wǎng)格，合計網(wǎng)格數(shù)量為24652。優(yōu)化模型載荷約束施加在左側(cè)邊的節(jié)點上，根據(jù)需要選取了7部分節(jié)點施加三個方向上的位移約束，在右端的剛性元主動點上施加一個大小為50 N的集中力，方向向下。

初步靜態(tài)應(yīng)力分析顯示，施力點的最大變形量為0.095 mm。

在拓撲優(yōu)化時，設(shè)定優(yōu)化網(wǎng)格最小寬度為2 mm，最大寬度為20 mm，要求施力點的最大變形量不超過1 mm，而優(yōu)化目標是整個區(qū)域的體積分數(shù)，即要求優(yōu)化體積盡量小。

經(jīng)過56步迭代完成橫截面形狀的拓撲優(yōu)化，圖6所示為設(shè)置密度閾值為0.2的優(yōu)化結(jié)果。由該分析結(jié)果可以看出，擠壓型材的橫截面圖形為在保留外圈網(wǎng)格的基礎(chǔ)上再在內(nèi)部增加“y”形加強筋。

2.2轉(zhuǎn)向柱支架拓撲優(yōu)化

由優(yōu)化結(jié)果確定了型材的截面形狀，然后根據(jù)轉(zhuǎn)向柱固定支架的長度和安裝點建立三維空間的殼網(wǎng)格，圖7為根據(jù)橫截面拓撲優(yōu)化結(jié)果建立的支架CAE分析模型，支架拓撲優(yōu)化網(wǎng)格由10個集合組成。該拓撲優(yōu)化網(wǎng)格是支架的基本型，型材壁厚暫定為4 mm，加強筋壁厚定為2 mm。本次的優(yōu)化目的是對三維空間的支架網(wǎng)格進行拓撲優(yōu)化，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

三維有限元模型的載荷施加采用與原結(jié)構(gòu)分析相同的布置形式，在貼近前圍骨架的豎板兩側(cè)各施加7各螺栓固定約束，而在支架的施力點施加集中力或扭矩載荷，其大小和方向與原結(jié)構(gòu)分析模型相同，形成4個工況。

經(jīng)過49步迭代完成三維網(wǎng)格的拓撲優(yōu)化，圖8為設(shè)置密度閾值為0.2的優(yōu)化結(jié)果軸視圖，圖9為設(shè)置密度閾值為0.2的優(yōu)化結(jié)果的俯視圖。由分析結(jié)果看出，固定支架需要保留的網(wǎng)格為條帶狀組合體，而且其俯視圖顯示網(wǎng)格基本上可以重合，利用這一特點可以在豎直方向上對支架進行相似處理，即保證支架在俯視投影上互相重合。

2.3支架尺寸優(yōu)化

參考三維網(wǎng)格拓撲優(yōu)化結(jié)果建立支架的最終有限元模型。圖10為轉(zhuǎn)向柱支架有限元模型網(wǎng)格圖，支架網(wǎng)格劃分為12個網(wǎng)格集合，網(wǎng)格成左右對稱結(jié)構(gòu)，在X軸向上保證料厚一致，便于型材擠壓。由圖11的支架網(wǎng)格俯視圖可以看出，支架網(wǎng)格沿Z軸的投影互相重合，這樣便于在支架生產(chǎn)時可以采用貫穿切割。同樣由圖12的支架網(wǎng)格正視圖可以看出，支架的中間減重孔沿Y軸的投影也是重合的，這樣可以一次性完成對六邊形減重孔的切割。

將新支架裝入前圍骨架梁上，保證前圍橫梁和豎梁結(jié)構(gòu)不變，僅調(diào)整部分連接接頭，形成與原結(jié)構(gòu)相似的有限元模型，載荷延續(xù)拓撲優(yōu)化三維網(wǎng)格的施加方式，大小和方向也與其相同。

尺寸優(yōu)化設(shè)置時，對12個網(wǎng)格集合設(shè)定初始料厚為6 mm，最小料厚為2 mm，最大料厚為6 mm。優(yōu)化響應(yīng)值設(shè)定為四種工況下施力點的靜態(tài)變形量，以及整體重量和支架附近的靜態(tài)應(yīng)力。優(yōu)化約束參照原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果設(shè)定，分別為工況一最大變形為小于1 mm，工況二最大變形為小于0.5 mm，工況三最大變形為小于0.8 mm，工況四最大變形為小于0.8 mm，且四個工況下的最大應(yīng)力值均小于200 Mpa。優(yōu)化目標要求為整體重量最小。

經(jīng)過4步迭代完成支架的尺寸優(yōu)化分析，結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)向柱固定支架的壁厚分為7組，分別為4.45、2.0、2.57、3.08、2.05、2.13和3.63，其中2.0 mm厚的網(wǎng)格集合有6個。根據(jù)支架的尺寸優(yōu)化結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格集合的料厚屬性，具體料厚數(shù)據(jù)參見圖13的轉(zhuǎn)向柱支架料厚尺寸圖，其相對于尺寸優(yōu)化結(jié)果有所調(diào)整。

對原支架和新支架進行對比分析，結(jié)果如表3所示，各工況下新支架的最大變形量均小于原支架的變形值。在工況一下，新支架的最大應(yīng)力值大于原支架的應(yīng)力值，但考慮到在整車結(jié)構(gòu)分析時支架部位的最大應(yīng)力值遠小于材料的疲勞極限，可認為該處應(yīng)力值對整車影響小，能夠滿足裝車要求。

根據(jù)支架尺寸優(yōu)化結(jié)果，建立三維數(shù)模（見圖14的轉(zhuǎn)向柱支架三維數(shù)模圖），并增加相應(yīng)圓角，以便改善應(yīng)力集中的問題。最終轉(zhuǎn)向柱支架零部件數(shù)量為1個，鉚釘數(shù)量為14個。

優(yōu)化后的支架便于采用鋁合金擠壓型材進行制作，在保證支架性能的情況下實現(xiàn)零件輕量化，新支架重量降至0.97Kg，相對于原支架（重2.93Kg）減重率達到66.9%，同時其安裝操作非常簡便，有利于降低人工成本。

該轉(zhuǎn)向柱支架在試制樣車中進行了裝車試用，并跟車完成了相關(guān)整車試驗，未出現(xiàn)不良現(xiàn)象，可認為滿足使用要求。

3結(jié)束語

本文在鋁合金轉(zhuǎn)向柱支架設(shè)計中采用拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的設(shè)計方法，實現(xiàn)了雙重輕量化減重效果，既解決了結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題又解決了壁厚最小化問題，同時達到了利用鋁合金擠壓型材生產(chǎn)轉(zhuǎn)向柱支架的目的。結(jié)果表明在保證使用性能的情況下，采用CAE優(yōu)化設(shè)計可以有效的實現(xiàn)汽車零部件輕量化，對于鋁合金擠壓型材制作的零部件，更適合采用本方法進行輕量化設(shè)計。