基于Hyperworks的重卡氣室支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

干慧

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230012）

作為支撐氣室的主要零部件，氣室支架的性能需要跟隨重卡的發(fā)展要求進(jìn)行強(qiáng)化，但若盲目的對(duì)氣室支架進(jìn)行加厚加大設(shè)計(jì)，就會(huì)使得氣室支架變得笨重，不符合現(xiàn)如今的輕量化發(fā)展目標(biāo)，使之失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但若設(shè)計(jì)單薄，則會(huì)使得氣室支架因整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而存在斷裂的可能，在此背景下，本文立足于亟需解決重卡氣室支架輕量化和高性能的平衡這一現(xiàn)狀，根據(jù)發(fā)明問題解決理論（TRIZ），結(jié)合實(shí)際的工況問題，采用建模、分析軟件，對(duì)重卡氣室支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在獲得氣室支架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。

1 礦用重卡氣室支架現(xiàn)狀

為保障礦區(qū)重卡在惡劣路況下制動(dòng)性能的可靠性，彈簧制動(dòng)氣室的氣壓值由原先的0.8MPa提升至1MPa，其產(chǎn)生的推力大幅度增長(zhǎng)，整車對(duì)氣室支架的強(qiáng)度有了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，故有必要對(duì)現(xiàn)有的氣室支架進(jìn)行受力分析?，F(xiàn)以某公司的一款氣室支架為研究對(duì)象，采用Hyperworks有限元分析對(duì)其進(jìn)行受力分析，以確定該型號(hào)氣室支架的可優(yōu)化空間。

1.1 氣室支架概述

氣室支架的安裝示意圖如圖1所示，氣室支架主要用于連接氣室與橋殼總成，支撐安裝凸輪軸，配合調(diào)整臂完成制動(dòng)作業(yè)，因此合理的氣室支架結(jié)構(gòu)不僅能夠提高其自身的壽命，而且還能夠保障整車制動(dòng)的平穩(wěn)性，但由于礦用重卡，運(yùn)行的路面凹凸不平，需要頻繁的進(jìn)行啟動(dòng)制停，在此過程中氣室支架會(huì)因受到?jīng)_擊載荷而存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此在對(duì)氣室支架展開輕量化設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到其強(qiáng)度問題。

圖1 氣室支架的安裝示意圖

1.2 氣室支架模型的建立（優(yōu)化前）

依據(jù)氣室支架的結(jié)構(gòu)尺寸，采用Inventor三維軟件構(gòu)建氣室支架的立體模型，如圖2所示：

圖2 氣室支架（優(yōu)化前）

1.3 氣室支架材質(zhì)參數(shù)

氣室支架的材質(zhì)為QT400-10，材質(zhì)參數(shù)如下表1所示：

表1 QT400-10材質(zhì)的參數(shù)

1.4 受力情況

當(dāng)重卡進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，彈簧制動(dòng)氣室會(huì)產(chǎn)生一個(gè)推力作用于氣室支架上，此推力為氣室支架主要承受的作用力，其余受力情況可以忽略不計(jì)，氣室支架匹配的橋型使用的是30/24規(guī)格的氣室總成，如圖3所示，在1MPa的氣壓下，氣室總成輸出的推力數(shù)值為19000N。

圖3 行程-推桿力特性曲線圖

1.5 受力分析

將氣室支架模型導(dǎo)入Hyperworks有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，模型共產(chǎn)生了209475個(gè)節(jié)點(diǎn)和1036146個(gè)單元。對(duì)氣室支架的有限元模型進(jìn)行約束和加載，如圖4所示：

圖4 氣室支架受力分析圖

1.6 結(jié)果分析

氣室支架的應(yīng)力分布圖如圖5所示，其最大應(yīng)力值260.9MPa主要位于氣室支架支撐面板過渡區(qū)，基本滿足重卡的使用需求，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過剩的現(xiàn)象，需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖5 氣室支架應(yīng)力分布圖（優(yōu)化前）

2 基于TRIZ理論的氣室支架輕量化研究

2.1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ理論是將工程問題轉(zhuǎn)化為固定的問題形式，然后根據(jù)TRIZ問題模型選擇相應(yīng)的求解工具，從而得到問題的解，它解決問題的流程如圖6所示：

圖6 TRIZ解決問題的流程圖

TRIZ理論總體上共有四個(gè)可解決問題的模型，即物理矛盾性問題的模型、技術(shù)矛盾性問題的模型、物場(chǎng)矛盾性問題的模型和知識(shí)力使用問題的模型。

物理矛盾問題是指對(duì)同一個(gè)參數(shù)的兩種不同要求,針對(duì)這類問題,它的主要解決途徑之一就是采用分離原理,即通過時(shí)間的分離、條件的分離、整體和組成部分之間的分離以及空間的分離等方式來(lái)解決具體問題。

技術(shù)矛盾問題在處理具體問題時(shí)會(huì)將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾問題模型后，模型中包含著兩個(gè)相互矛盾和制約的參數(shù)，采用矛盾矩陣的方式找到相應(yīng)的發(fā)明原理，以此提供解決思路。

物質(zhì)場(chǎng)問題是兩種物質(zhì)的一個(gè)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)信息是有問題的。針對(duì)有待解決的實(shí)際問題，首先建立問題的初始物質(zhì)場(chǎng)模型，然后根據(jù)具體問題，在標(biāo)準(zhǔn)解系數(shù)中找到具體解決方案。

知識(shí)利用問題就是要靠尋找一種科學(xué)的方式以及原理來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)體系功能。

2.2 基于TRIZ理論的氣室支架輕量化方案

本項(xiàng)目采用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾問題模型來(lái)解決氣室支架輕量化的設(shè)計(jì)問題。依據(jù)氣室支架強(qiáng)度/可靠性和重量矛盾的技術(shù)參數(shù)，在阿奇舒勒矛盾矩陣中查閱發(fā)明原理，得到了以下幾個(gè)改進(jìn)方案：

在氣室支架受力較小的部位進(jìn)行開槽；

在氣室支架應(yīng)力集中的部位增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；

改進(jìn)連接圓弧尺寸，降低應(yīng)力值；

將氣室支架的材質(zhì)由QT400-10改為QT450-10。根據(jù)上述改進(jìn)方案，對(duì)氣室支架的結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的模型如圖7所示。

圖7 氣室支架（優(yōu)化后）

2.3 氣室支架優(yōu)化前后的性能對(duì)比

根據(jù)氣室支架的應(yīng)力分布圖顯示，如圖8所示。優(yōu)化后的氣室支架的最大應(yīng)力值為127.9MPa，安全系數(shù)3.52，相較于改進(jìn)前的氣室支架其應(yīng)力降低了51%，氣室支架的性能得到了明顯的提升，且氣室支架的重量也由原來(lái)的10.052kg降低到了8.098kg，實(shí)現(xiàn)了氣室支架的輕量化目標(biāo)。

圖8 氣室支架應(yīng)力分布圖（優(yōu)化后）

3 結(jié)語(yǔ)

本文以平衡氣室支架重量和質(zhì)量為切入點(diǎn)，對(duì)氣室支架展開了優(yōu)化設(shè)計(jì)并得到了以下的結(jié)論：

（1）通過有限元分析，明確了現(xiàn)有的氣室支架剛度、強(qiáng)度基本能夠滿足重卡氣壓值提升所需的使用要求，存在可優(yōu)化空間。

（2）根據(jù)TRIZ技術(shù)矛盾問題模型，確定了氣室支架的優(yōu)化方案，并通過了有限元分析的驗(yàn)證，優(yōu)化后的氣室支架相較于改進(jìn)前性能提升了51%，重量降低了19.5%。