基于逆向工程和拓?fù)鋬?yōu)化的轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計

何家林

（金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211156）

0 引言

新能源技術(shù)的快速進(jìn)步使汽車工業(yè)邁向一個新臺階，在汽車零部件需求旺盛的同時，汽車制造商之間的競爭愈發(fā)的激勵，對質(zhì)量要求日益嚴(yán)格。為此，大量新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)被應(yīng)用于汽車零部件的快速研發(fā)。逆向工程與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是一種用于復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)快速設(shè)計技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車零部件輕量化設(shè)計，特別是結(jié)構(gòu)輕量化、工藝輕量化等方面，對“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)有著重要的影響。研究人員對汽車零部件結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)開展了廣泛的研究。王振東等[1]以某乘用車后下控制臂為研究對象，結(jié)合加工工藝等因素，針對向前緊急制動、過單側(cè)深坑、極限轉(zhuǎn)向等工況，通過Abaqus 開展拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，獲得了最優(yōu)的減重方案；據(jù)此重構(gòu)了后下控制臂三維模型，并對再設(shè)計的后下控制臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度校核。黃英英等[2]基于折衷規(guī)劃法，構(gòu)建板簧支架多工況拓?fù)鋬?yōu)化模型，利用Hyperworks 實現(xiàn)了支架的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。劉貽華[3]選取轎車輪轂為研究對象，在不削弱輪轂結(jié)構(gòu)強度、剛度的前提條件下，對輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，并對優(yōu)化后的模型進(jìn)行彎曲載荷、徑向載荷、沖擊載荷及模態(tài)分析校核。吉思名[4]以雙帽型薄壁吸能結(jié)構(gòu)為研究對象，首先基于樣件的沖擊仿真分析，將帽型結(jié)構(gòu)的沖擊動能減少量折算為吸能率，然后選擇峰值應(yīng)力、最大位移、能量吸收和損傷程度等參數(shù)評估鋁—碳化硅、鋁合金與Q235 等三種材料的沖擊穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。魯佳[5]基于蝠鲼在覓食中能主動避免碰撞、在安全范圍內(nèi)可以加速的思想對已有的蝠鲼算法進(jìn)行了改進(jìn)，并選擇6 個典型測試函數(shù)對算法進(jìn)行驗證，然后將該算法應(yīng)用于汽車前橋輕量化設(shè)計中，實現(xiàn)了17%的減重目標(biāo)。

轉(zhuǎn)向節(jié)是實現(xiàn)汽車車輪轉(zhuǎn)向的重要零件，是一種復(fù)雜的叉架類零件。在結(jié)構(gòu)功能上，轉(zhuǎn)向節(jié)安裝有轉(zhuǎn)向節(jié)臂、制動卡鉗、懸架控制臂及輪轂等，轉(zhuǎn)向節(jié)耳孔通過主銷與前軸相連，使前輪可以繞主銷偏轉(zhuǎn)，從而控制汽車轉(zhuǎn)向。在傳力路徑上，主要起到傳遞汽車行駛過程中復(fù)雜多變的載荷，直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性、安全性及耐久性。因此，轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計必須既要滿足較高的強度與剛度要求，又必須滿足輕量化的需求。以汽車轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對象，基于逆向工程與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)開展轉(zhuǎn)向節(jié)的輕量化設(shè)計。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)數(shù)據(jù)采集與逆向建模

數(shù)據(jù)采集是逆向工程的首要環(huán)節(jié)，而轉(zhuǎn)向節(jié)表面質(zhì)量的處理會直接影響點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。轉(zhuǎn)向節(jié)上的1 個中心大孔和6 個耳孔表面光潔度較高，反光現(xiàn)象較為嚴(yán)重，需要噴涂顯像劑；轉(zhuǎn)向節(jié)的外表面是非工作表面，較為粗糙，色澤偏暗，也需要噴涂顯像劑以提高亮度。待噴涂晾干后，在需要貼參考點的部位，擦除顯像劑，粘貼參考點，用于點云數(shù)據(jù)的多視拼接。在完成表面處理后，運用手持式三維掃描儀對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在采集過程中，根據(jù)掃描效果，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向節(jié)的姿態(tài)，使得點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量盡可能地高。

由于轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸較大，僅僅靠一次拍照是無法提取其全部特征，為此需要采用多視拼接的思路，進(jìn)行多次掃描。將多張照片拼接到一起往往需要借助參考點。粘貼參考點時，需要注意如下幾點：參考點的尺寸規(guī)格要能被選用的三維掃描儀予以識別；參考點隨機、均勻地粘貼在物體表面，不能呈現(xiàn)規(guī)則排布；參考點粘貼在平面或曲面上，不應(yīng)貼在邊緣上，也不能貼在曲率變化大的零件部位；參考點應(yīng)能夠清晰可見，不能有遮擋或污損。一般情況下，參考點的粘貼要在噴顯像劑之后，是為了避免顯像劑污染參考點。因此，向轉(zhuǎn)向節(jié)粘貼參考點時，需要待噴涂晾干后，在需要貼參考點的部位，擦除顯像劑，粘貼參考點，用于點云數(shù)據(jù)的多視拼接。

基于轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要制定其三維掃描策略。在掃描過程中，首先選一個能夠提取大部分幾何特征的姿態(tài)進(jìn)行初次掃描；其次根據(jù)掃描效果，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向節(jié)的姿態(tài)，使得點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量盡可能地高。具體掃描過程如下：

（1）準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備好手持式三維掃描儀、數(shù)據(jù)線及電源線，連接電腦；要理順數(shù)據(jù)線，防止其干涉掃描人員掃描。

（2）開始掃描前，在轉(zhuǎn)向節(jié)下擺放一塊黑色的布，并且使轉(zhuǎn)向節(jié)處于靜止的穩(wěn)定狀態(tài)。黑色的背景布是為了盡可能的地減少周圍環(huán)境的雜點被掃描進(jìn)去，降低點云數(shù)據(jù)處理的時間。

（3）打開掃描軟件，啟動手持式三維掃描儀，將格柵式的激光線投射到汽車轉(zhuǎn)向節(jié)表面，然后利用借由CCD 相機成像，計算得到掃描對象表面的深度信息。在掃描過程中，通過觀察儀器指示燈顏色或電腦掃描軟件端實時處理的圖像，調(diào)整手持式掃描儀與轉(zhuǎn)向節(jié)之間的距離。手持式三維掃描儀的亮度設(shè)置也尤為重要，太亮或者太暗都會影響掃描儀獲取數(shù)據(jù)，掃描精度會受到影響。

（4）首先，掃描轉(zhuǎn)向節(jié)正面，能夠掃描到轉(zhuǎn)向節(jié)70%的表面特征，并獲得相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)；其次轉(zhuǎn)向節(jié)反面；然后，觀察轉(zhuǎn)向節(jié)缺失的特征，再進(jìn)行針對性的補充掃描，在補充掃描時，可以借助輔助板掃描局部特征，最終獲得一個質(zhì)量較高、數(shù)據(jù)較為完整的點云。

采集得到的轉(zhuǎn)向節(jié)點云數(shù)據(jù)如圖1 所示，不僅包含轉(zhuǎn)向節(jié)本身的點云數(shù)據(jù)，而且也包括了參考板的點云數(shù)據(jù)以及雜點?；贕eomagic Wrap 軟件，首先通過手工選擇刪除大多數(shù)的雜點，然后通過“非連接項”、降低噪音、全局注冊、統(tǒng)一采樣等命令，完成轉(zhuǎn)向節(jié)點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化，最后完成點云數(shù)據(jù)封裝。

圖1 處理后的轉(zhuǎn)向節(jié)點云數(shù)據(jù)

將封裝后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型導(dǎo)入到Geomagic Design X 中，開展逆向建模工作。由于導(dǎo)入的模型與全局坐標(biāo)系不統(tǒng)一，需要對其進(jìn)行對齊處理。利用大孔中心線和端面，采用手動對齊的方法擺正轉(zhuǎn)向節(jié)模型?；贕eomagic Design X，運用面片草圖、拉伸、布爾運算等命令，依次完成中心大孔主體以及6 個連接耳孔特征建模，得到如圖2 所示的轉(zhuǎn)向節(jié)模型。

圖2 逆向得到的轉(zhuǎn)向節(jié)模型

2 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是在滿足強度、剛度、頻率等要求的前提下，獲取研究對象最佳的材料分布。受到制造工藝的限制，對研究對象進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時，需要引入工藝約束，如對稱、單向拔模、雙向拔模等等。拓?fù)鋬?yōu)化可以分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。在連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化中，變密度法、均勻化方法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)法、水平集法等被廣泛應(yīng)用于工程實際中。本研究用變密度法對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

2.1 數(shù)學(xué)模型

對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計變量為設(shè)計域中單元密度，在達(dá)到應(yīng)力約束、位移約束條件時，找到最小的支架體積。可以通過如下數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）形式表達(dá)：

式中，F(xiàn)為載荷矢量，u為全局位移矢量，u* 為位移約束，K為全局剛度矩陣，σ為應(yīng)力約束，ρ為設(shè)計變量，V為結(jié)構(gòu)體積，σ為von-Mises 應(yīng)力矢量。

利用固體各向同性材料懲罰模型（SIMP），單元相對密度取值在0～1 之間。為了避免計算出現(xiàn)奇異性情況，最小單元相對密度ρmin為0.001。另外，懲罰因子（P）大于1（P 一般情況下等于3），從而將中間單元密度值向兩個邊界引導(dǎo)。每個單元的彈性模量按如下公式（2）計算：

式中，ρ為1 時的楊氏模量，E0是相對密度。

2.2 確定優(yōu)化邊界與目標(biāo)

選取0.6g 的應(yīng)急剎車狀態(tài)條件進(jìn)行分析，受力情況見表1。

表1 0.6g 加速度制動工況下轉(zhuǎn)向節(jié)受力情況

為了確定轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化的邊界，需要對轉(zhuǎn)向節(jié)開展靜力分析。將轉(zhuǎn)向節(jié)模型導(dǎo)入Altair Inspire，施加表1所列的載荷，并約束住轉(zhuǎn)向節(jié)中心圓孔。

如圖3 所示，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在上支撐臺處，約為261 MPa，遠(yuǎn)小于40Cr 材料的強度極限；如圖4 所示，最大變形發(fā)生在上橫臂外的位置，最大變形量約為0.56 mm。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)von-Mises 應(yīng)力云圖

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)變形云圖

在多輪試算與估計的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量減重目標(biāo)定位30%。在拓?fù)鋬?yōu)化中，根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)裝配要求與設(shè)計經(jīng)驗，重構(gòu)出轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化設(shè)計空間。據(jù)此，基于Altair Inspire 完成轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化，如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

2.3 數(shù)值驗證

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，考慮機械制造工藝，重構(gòu)得到轉(zhuǎn)向節(jié)模型。參照表1 的載荷，對其重新進(jìn)行強度分析，得到了優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖與變形云圖，分別如圖6、圖7 所示。

圖6 優(yōu)化后von-Mises 應(yīng)力

圖7 優(yōu)化后位移圖

從圖6 可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力為421.1 MPa，滿足強度要求；最大位移為0.321 mm，與之前相比變小了。與原方案相比，改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量降低了2.682 kg，基本上達(dá)到了30%的減重目標(biāo)。

3 結(jié)語

采用結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計技術(shù)能夠有效減少汽車燃油消耗，有利于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。先基于逆向工程獲得了原有轉(zhuǎn)向架的三維模型，然后采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對汽車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了輕量化設(shè)計，實現(xiàn)了減重約30%的設(shè)計目標(biāo)，研究結(jié)果可為相關(guān)設(shè)計提供參考。