某卡車上車踏板支座結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化案例

梁海云 尹中保

摘? 要：本案例基于HyperWorks有限元分析軟件，成功對某卡車上車踏板支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，將零件重量降低了19.5%。因零件連接了車架系統(tǒng)、上車踏板護(hù)板和側(cè)護(hù)裙系統(tǒng)、后處理器系統(tǒng)、油箱系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)，受力非常復(fù)雜。本案例通過建立系統(tǒng)動應(yīng)力CAE分析模型和零件靜應(yīng)力CAE分析模型對計算進(jìn)行簡化，并形成分析方法和操作流程，實踐驗證該方法有效提高復(fù)雜系統(tǒng)下的零件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化效率。

關(guān)鍵詞：卡車;支座;有限元分析;拓?fù)鋬?yōu)化;HyperWorks

中圖分類號：U463.85? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2019）02-0045-05

1? ? 前言

某卡車上車踏板支架左邊與后處理器模塊連接，右邊與蓄電池模塊連接，還通過踏板護(hù)板和側(cè)護(hù)裙與油箱模塊連接，如圖1所示。

由于蓄電池、后處理器、油箱都很重，將它們連接在一起后，行車時各系統(tǒng)之間存在震動相位差，導(dǎo)致零件受力變大很多，上車踏板支架受力很復(fù)雜。前期上車踏板支架采用鈑金沖壓件拼焊結(jié)構(gòu)，經(jīng)過3輪整車8000公里強(qiáng)化道路可靠性試驗，反復(fù)加強(qiáng)后的支架都出現(xiàn)了開裂故障。

為了提高零件強(qiáng)度，同時減少零件數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，提高零件質(zhì)量穩(wěn)定性和尺寸精度，將上車踏板支架受力最大的根部改為鑄件，根據(jù)經(jīng)驗建立的零件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

增加上車踏板支座后，每車減少了12個零件、少焊84道焊縫，生產(chǎn)效率提高很多。上車踏板支座初步方案重8.7kg，比鈑金拼焊方案重了3.7kg，重量增加太多，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減輕重量。

2? ? 支座結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

2.1? ?有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化工具

有限元分析方法是將無限的連續(xù)體離散化成有限個單元，再通過對有限個單元作分片插值求解各種物理學(xué)、力學(xué)問題的一種數(shù)值方法?；谟邢拊治龇椒òl(fā)展而來的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，是一種根據(jù)給定的約束條件在限定的空間中尋求材料的最優(yōu)化分布的計算方法，常用方法有變厚度法、均勻化方法和變密度法等[1] [3]，各方法的基本原理已在各類公開發(fā)表的文獻(xiàn)中有詳細(xì)論述，本文限于篇幅不再累述。

Altair公司開發(fā)的有限元分析軟件HyperWorks，是一個集成了設(shè)計與分析所需的各種工具的專業(yè)CAE平臺，性能優(yōu)異，用戶界面非常友好。前處理器模塊 HyperMesh兼容眾多CAD系統(tǒng)，支持直接導(dǎo)入已有的三維幾何模型，如常用的CATIA、UG、Pro/E三維模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高;即使模型有所缺損也不用擔(dān)心，軟件中有很多模型修復(fù)工具，使用方便;加上高速度、高質(zhì)量的自動網(wǎng)格劃分功能，大大縮短網(wǎng)格劃分的工作量[2]。有限元結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化模塊OptiStruct，具有拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、多學(xué)科優(yōu)化功能，其內(nèi)部包含一個快速、準(zhǔn)確的有限元求解器，能快速計算出基于各種約束條件下的最優(yōu)解，輔助解決各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率優(yōu)化問題[3]。結(jié)構(gòu)求解器RADIOSS融合了最新開發(fā)的線性和隱式非線性求解技術(shù)、多體動力學(xué)仿真技術(shù)和流固耦合仿真技術(shù)，功能涵蓋所有有限元分析領(lǐng)域，具有計算結(jié)果可靠精確、運算快速等優(yōu)點[4]。后處理器模塊HyperView具有先進(jìn)的后處理功能，計算效率高，不僅能實現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)可視化，展示各種各樣的云圖和曲線標(biāo)尺，還可以通過流程自動化功能捕捉后處理活動，并對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，自動生成演示文檔[2]。

基于HyperWorks軟件的有限元分析一站式解決的特點，本案例中的前處理、求解、后處理都采用HyperWorks軟件。

2.2? ?拓?fù)鋬?yōu)化流程

該卡車左邊將上車踏板和側(cè)護(hù)裙系統(tǒng)、后處理器模塊、油箱模塊連接在一起，右邊將上車踏板和側(cè)護(hù)裙系統(tǒng)、蓄電池模塊、油箱模塊連接在一起，幾個系統(tǒng)都很重，將它們連接在一起后，行車時會產(chǎn)生振動干涉，上車踏板支座受力變得很復(fù)雜，很難確定支座的受力情況，無法采用靜態(tài)應(yīng)力CAE分析對零件強(qiáng)度進(jìn)行判斷，因此零件強(qiáng)度分析必須把相關(guān)系統(tǒng)和車架一起進(jìn)行動應(yīng)力CAE分析。動應(yīng)力CAE分析方法是模擬汽車零件臺架耐振動試驗進(jìn)行的三向頻率響應(yīng)有限元分析方法，其原理是系統(tǒng)在外部激振力作用下，將受迫產(chǎn)生振動，使結(jié)構(gòu)承受動應(yīng)力;其方法是建立與臺架耐振動試驗一樣的有限元模型，在模型的支撐面按1～50Hz頻率分別在X、Y、Z方向加載4.5g、4.5g、7g的加速度，計算出零件各處的響應(yīng)應(yīng)力[5]。用該方法能計算出復(fù)雜系統(tǒng)在動態(tài)載荷作用下發(fā)生共振時所產(chǎn)生的應(yīng)力，由于零件共振時產(chǎn)生的應(yīng)力比靜態(tài)時大1個數(shù)量級以上，因此應(yīng)力分析結(jié)果更接近零件使用時的受力情況，有利于解決零件疲勞開裂問題。前期采用鈑金沖壓件拼焊支架時，已建立上車踏板和側(cè)護(hù)裙系統(tǒng)動應(yīng)力CAE分析模型，分析結(jié)果顯示，應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度的區(qū)域與8000公里強(qiáng)化路試驗出現(xiàn)的零件開裂區(qū)域吻合度達(dá)到70%以上;系統(tǒng)零件經(jīng)過2次加強(qiáng)后，CAE分析顯示，曾經(jīng)開裂的區(qū)域應(yīng)力降低到材料抗拉強(qiáng)度以下時，能通過8000公里強(qiáng)化路試驗而不再開裂。說明該動應(yīng)力CAE分析模型比較接近實物，分析結(jié)果顯示的零件應(yīng)力分布和大小與零件實際應(yīng)力具有一定的對應(yīng)關(guān)系，因此本次拓?fù)鋬?yōu)化分析模型在該動應(yīng)力CAE分析模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建。由于本模型太大，動應(yīng)力CAE分析時間長達(dá)12小時以上，如果每個拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果都進(jìn)行動應(yīng)力CAE分析判斷強(qiáng)度是否足夠，效率太低，因此還需將支座獨立出來進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力CAE分析，初步判斷優(yōu)化結(jié)果的優(yōu)劣。根據(jù)上述分析，制定該支座的拓?fù)鋬?yōu)化流程如圖3所示：

2.3? ?通過動應(yīng)力CAE分析和靜態(tài)應(yīng)力CAE分析獲取支座近似載荷

用支座初步方案數(shù)模進(jìn)行動應(yīng)力CAE分析：由于分析的主要對象是踏板支座和支架，為減少運算成本，在建立有限元模型時，車架截取中間固定相關(guān)系統(tǒng)的一段。其中車架采用8mm一階殼單元網(wǎng)格劃分;油箱采用20mm、后處理器采用8mm、蓄電池模擬成一個長方體采用20mm一階六面體單元網(wǎng)格劃分;踏板護(hù)板和側(cè)護(hù)裙本體采用8mm、支座則采用較小的3mm一階4面體網(wǎng)格劃分;其他鈑金沖壓件支架采用6mm一階殼單元網(wǎng)格劃分。由于油箱系統(tǒng)不是重要關(guān)注對象，故油箱與油箱箍帶和托架之間的連接做了簡化處理，采用RBE2剛性單元進(jìn)行網(wǎng)格連接;其他零件之間的連接螺栓也簡化為RBE2剛性單元：在兩個零件螺栓過孔間建立一個剛性點，剛性點分別與2個零件螺栓過孔的網(wǎng)格節(jié)點連接。根據(jù)零件材料對網(wǎng)格賦予不同的材料屬性，其中支座材料采用QT500-7，材料特性見下表1。根據(jù)前期的試驗，空油箱狀態(tài)系統(tǒng)振動最大，各零件應(yīng)力最大，故按空油箱重量設(shè)定油箱的質(zhì)量。約束車架兩端，最終的有限元模型如圖4所示：

在模型的支撐面按1～50Hz頻率分別在X、Y、Z方向加載4.5g、4.5g、7g的加速度，計算并輸出支架應(yīng)力云圖。

用支座初步方案數(shù)模進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力CAE分析：將支座網(wǎng)格從動應(yīng)力分析模型抽取出來，另外建立靜態(tài)應(yīng)力CAE分析有限元模型，約束4個安裝點，根據(jù)動應(yīng)力CAE分析結(jié)果，對支座影響大的力主要集中在X向和Z向，因此在固定支架的4個孔上賦予X向和Z向作用力。模型如圖5所示。拿靜態(tài)應(yīng)力CAE分析云圖與動應(yīng)力CAE分析云圖進(jìn)行對比，分析應(yīng)力分布和大小是否接近，如果應(yīng)力大小偏差大于5%，則調(diào)整加載力大小。經(jīng)過三次計算獲得與動應(yīng)力分析近似的應(yīng)力云圖，求得支座受力大小為FX1=FX2=850N，F(xiàn)X3=FX4=950N，F(xiàn)Z1=FZ2=-3100N，F(xiàn)Z3=FZ4=-3400N。

2.4? ?支座拓?fù)鋬?yōu)化的建模

建立支座拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，為了便于OptiStruct計算最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要求拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)空間越大越好，結(jié)構(gòu)越簡單越好，空間越大越有利于找到最優(yōu)力傳遞路徑，結(jié)構(gòu)越簡單越節(jié)約計算時間。本例中，采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法，支座拓?fù)涑跏冀Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用4mm一階四面體單元，將支座的拓?fù)涑跏冀Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格替換到靜態(tài)應(yīng)力CAE分析模型中。在OptiStruct中設(shè)置拓樸優(yōu)化區(qū)域，固定孔和安裝孔周圈黃色網(wǎng)格為非優(yōu)化區(qū)域，其余青色網(wǎng)格為優(yōu)化區(qū)域，如圖6所示：

依次設(shè)置拓?fù)鋮?shù)[3]：

目標(biāo)：支座體積最小;

約束條件1：最小尺寸為8mm，最大尺寸為30mm;

約束條件2：設(shè)置脫模方向如圖6所示的Y方向;

約束條件3：可優(yōu)化區(qū)域最大應(yīng)力不超過350MPa。

2.5? ?支座拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化計算后，輸出拓?fù)浣Y(jié)果云圖，將密度值調(diào)到0.15，如圖7所示。該零件結(jié)構(gòu)呈一個大三角形框架，非對稱結(jié)構(gòu)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化云圖的結(jié)構(gòu)框架，結(jié)合鑄造工藝特點，調(diào)整支座結(jié)構(gòu)。為避免鑄造變形過大，各邊斷面尺寸不能過小，同時為滿足零件左右通用的需求，將零件做成左右對稱結(jié)構(gòu)。

本案例中，將各邊做成工字型結(jié)構(gòu)，最小斷面尺寸為35mm×16mm，料厚為5～13mm[6]。初步優(yōu)化方案如圖8所示：

2.6? ?支座拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗證

將支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案放到靜應(yīng)力分析模型中，進(jìn)行CAE分析，查看應(yīng)力分布是否均衡，最大應(yīng)力是否小于且接近350MPa，如果存在應(yīng)力不均衡，局部應(yīng)力過小或過大的情況，則需要對應(yīng)力過小的區(qū)域減少材料、對應(yīng)力過大區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，然后再放入靜應(yīng)力模型中進(jìn)行靜應(yīng)力CAE分析;如果應(yīng)力分布均衡，而且最大應(yīng)力為

320～350MPa之間，則將支座放入動應(yīng)力分析模型中進(jìn)行動應(yīng)力CAE分析，查看最大應(yīng)力是否小于350MPa，如果大于該值，則需要對薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，然后再放入動應(yīng)力模型中進(jìn)行動應(yīng)力CAE分析;如果最大應(yīng)力小于350MPa則拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束，得出最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

經(jīng)過幾輪計算，支座最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖9所示，動應(yīng)力CAE分析結(jié)果如圖10所示。應(yīng)力云圖顯示，結(jié)合左右兩邊支架應(yīng)力分布來看，應(yīng)力分布均衡，最大應(yīng)力控制在320 MPa到350MPa之間，既滿足了強(qiáng)度要求，又盡量將支座做的更輕，結(jié)構(gòu)比較合理。支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后重量由原來的8.7kg減輕到7.0kg，減輕了1.7kg，減重比例為19.5%，效果顯著。

3? ? 結(jié)論

經(jīng)過有限元應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，支座最終方案比按經(jīng)驗設(shè)計的方案輕19.5%，支座最大應(yīng)力340MPa，與材料抗拉強(qiáng)度500MPa相比，安全系數(shù)1.5，滿足底盤關(guān)鍵零件強(qiáng)度要求。本案例再次顯示出有限元應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計在產(chǎn)品前期設(shè)計中具有重要的指導(dǎo)意義，能有效縮短產(chǎn)品驗證時間。

本案例基于HyperWorks有限元分析軟件，針對大型的復(fù)雜的卡車系統(tǒng)問題，提出分別建立系統(tǒng)動應(yīng)力CAE分析模型和零件靜應(yīng)力CAE分析模型對計算進(jìn)行簡化，并形成分析方法和操作流程，實踐驗證該方法有效提高復(fù)雜系統(tǒng)下的零件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化效率。

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