基于HyperWorks 的果園車(chē)變速踏板拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

侯金平，遲慶軍，郭玉平，張震，張先航

（262300 山東省 日照市 山東五征集團(tuán)有限公司）

0 引言

本文設(shè)計(jì)的變速踏板適用于農(nóng)用三輪果園車(chē)序列式換擋變速箱，用戶腳踩變速踏板的前踏板和后踏板，實(shí)現(xiàn)前、后推拉換擋桿，就可以完成加擋或減擋，踩一下前踏板加一擋，踩一下后踏板減一擋，與手自一體的手動(dòng)部分類似。目前，農(nóng)用三輪果園車(chē)使用的變速腳踏板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后踏板和踏板支架是分體結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行焊接，腳踏支架與變速座的限位也需要焊接限位塊。踏板支架采用鋼板折彎結(jié)構(gòu)，鋼板的密度較大，導(dǎo)致變速踏板質(zhì)量較大。

HyperWorks 軟件是一款應(yīng)用廣泛的有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件，提供了優(yōu)秀的前處理工具HyperMesh，用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的Optistruct 技術(shù)以及全面而通用的CAE 后處理環(huán)境HyperView，集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，在汽車(chē)、航空航天、重裝備、國(guó)防以及石油天然氣等行業(yè)得到了廣泛使用[1]。汽車(chē)輕量化主要有兩大方式：（1）通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，縮小零部件尺寸，使部件中空化、薄壁化；（2）使用輕量化的金屬與非金屬材料，進(jìn)行材料替代[2]。鑄件輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常通過(guò)薄壁化、空心化和集成化3 種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化效果[3]。

本文基于HyperWorks 技術(shù)設(shè)計(jì)一款新的變速踏板，在保證變速踏板的剛度要求條件下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 變速踏板三維數(shù)字化模型的建立

變速踏板的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變速踏板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of gear shift pedal

1.2 材料的選擇及特性

壓鑄的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、鑄件的精度高和合金的強(qiáng)度、硬度高，是少、無(wú)切削加工的重要工藝，發(fā)展壓鑄是降低生產(chǎn)成本的重要途徑。壓鑄鋁合金在汽車(chē)、拖拉機(jī)、航空、儀表、紡織、國(guó)防等部門(mén)得到了廣泛的應(yīng)用[4]。本文選用壓鑄鋁合YZAlSi11Cu3(YL113) 作為變速踏板的材料，材料特性如下：彈性模量70 GPa；密度2.7 g/cm3；泊松比0.33；抗拉強(qiáng)度≥220 MPa；屈服強(qiáng)度≥160 MPa。

1.3 有限元模型的建立

在計(jì)算機(jī)硬件許可的條件下，有限元網(wǎng)格劃分盡量細(xì)化，有限元網(wǎng)格與幾何模型盡量貼合，以提高計(jì)算精度[5]。

在HyperMesh 中對(duì)踏板支架進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，根據(jù)踏板支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了高精度的6 面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的單元總數(shù)為129 981 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為144 132 個(gè)。有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

1.4 載荷及邊界條件的確定

根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，變速踏板載荷選取最大值255 N，作為所有擋位的輸入載荷，選取沖擊系數(shù)為2。為了使分析結(jié)果更加貼合實(shí)際，選取圖1 旋轉(zhuǎn)軸中心A 處為第1 約束點(diǎn)，釋放Y 向旋轉(zhuǎn)自由度，約束其余自由度；選取搖臂下連接點(diǎn)B 為第2 約束點(diǎn)，約束其全部自由度。載荷和約束如圖3 所示。

圖3 載荷和約束Fig.3 Load and constraint

1.5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化是在設(shè)計(jì)空間內(nèi)建立一個(gè)由有限個(gè)體單元組成的基本結(jié)構(gòu)，給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，然后根據(jù)算法確定設(shè)計(jì)空間內(nèi)單元的去留，保留下來(lái)的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨?，從而?shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化[6]。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖4 所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.4 Topology optimization results

將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型轉(zhuǎn)化為三維模型，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果提供給設(shè)計(jì)者結(jié)構(gòu)的輪廓，設(shè)計(jì)者需要對(duì)輪廓進(jìn)行處理，使之能夠具備生產(chǎn)制造的可行性。針對(duì)果園車(chē)用戶的特點(diǎn)，變速踏板的外觀不僅需要美觀，還要看上去結(jié)實(shí)耐用，因此根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，在盡量接近的情況下布置加強(qiáng)筋，同時(shí)對(duì)鏤空的部位進(jìn)行薄壁（1.5 mm）的填充。最終得到變速踏板三維數(shù)字化模型，其質(zhì)量為0.252 5 kg。與當(dāng)前鋼板、焊接結(jié)構(gòu)的變速踏板（0.374 5 kg）相比，質(zhì)量減少了48.3%。優(yōu)化后的數(shù)模如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后的數(shù)模Fig.5 Optimized mathematical model

2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的強(qiáng)度驗(yàn)證

2.1 靜態(tài)受力分析結(jié)果

為了分析極限情況，選取4 個(gè)工況進(jìn)行分析，具體工況見(jiàn)表1。

表1 分析工況Tab.1 Working conditions for analysis

2.1.1 工況1 的結(jié)構(gòu)靜力分析

工況1 的最大位移為1.924 mm，最大應(yīng)力為107.5 MPa，其位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7 所示。

圖6 工況1 的位移云圖Fig.6 Displacement contour plot of working condition 1

圖7 工況1 的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud map of working condition 1

2.1.2 工況2 的結(jié)構(gòu)靜力分析

工況2 的最大位移為0.771 mm，最大應(yīng)力為117.2 MPa，其位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖8、圖9 所示。

圖8 工況2 的位移云圖Fig.8 Displacement contour plot of working condition 2

圖9 工況2 的應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud map of working condition 2

2.1.3 工況3 的結(jié)構(gòu)靜力分析

工況3 的最大位移為1.121 mm、最大應(yīng)力為155.7 MPa，其位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖10、圖11 所示。

圖10 工況3 的位移云圖Fig.10 Displacement contour plot of working condition 3

圖11 工況3 的應(yīng)力云圖Fig.11 Stress cloud map of working condition 3

2.1.4 工況4 的結(jié)構(gòu)靜力分析

工況4 的最大位移為1.227 mm，最大應(yīng)力為153.2 MPa，其位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖12、圖13 所示。

圖12 工況4 的位移云圖Fig.12 Displacement contour plot of working condition 4

圖13 工況4 的應(yīng)力云圖Fig.13 Stress cloud map of working condition 4

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)踏板材料的特性，屈服強(qiáng)度為160 MPa，通過(guò)上述4 種極限工況的分析，第3工況的最大應(yīng)力值最大，為155.7 MPa，沒(méi)有超出材料的許用應(yīng)力，符合使用條件。

3 結(jié)語(yǔ)

變速踏板結(jié)構(gòu)由前、后踏板、限位塊和踏板支架4 部分的焊接結(jié)構(gòu)改為壓鑄鋁合金一體結(jié)構(gòu)，避免了焊接，提高了生產(chǎn)效率。變速踏板的材料選用了密度更小的鋁合金，密度減小1/3；借助HyperWorks技術(shù)對(duì)變速踏板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并進(jìn)行再次造型設(shè)計(jì)，保證生產(chǎn)制造可行性；在此過(guò)程中，采取了薄壁化、空心化和集成化的優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)輕量化計(jì)，質(zhì)量減少0.122 kg，減少48.3%。

通過(guò)對(duì)4 種工況的靜態(tài)應(yīng)力分析，結(jié)果顯示變速踏板應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度160 MPa，滿足使用條件。

本設(shè)計(jì)縮短了設(shè)計(jì)周期，并減少了后續(xù)的設(shè)計(jì)變更，對(duì)鑄造件的方案設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)優(yōu)化的工程技術(shù)人員具有一定的借鑒作用。