純電動廂式垃圾車尾門縱拉臂的輕量化研究

摘要：隨著汽車電動化的不斷發(fā)展，通過減輕整車質(zhì)量以提高車輛續(xù)航能力，成為汽車制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢。以純電動廂式垃圾車的尾門縱拉臂為例，基于Altair 有限元軟件的Optistruct 平臺，以SIMP 變密度拓撲優(yōu)化方法進行縱拉臂的輕量化設計。結(jié)果表明，優(yōu)化后的縱拉臂結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量輕于初版結(jié)構(gòu)，而且結(jié)構(gòu)強度也獲得明顯提高。為商用車上裝部件的輕量化設計思路提供了一定參考價值。

關鍵詞：廂式垃圾車；SIMP 變密度；拓撲優(yōu)化

0 前言

純電動廂式垃圾車擁有垃圾載運量大、密閉性能好、裝卸效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，而它的缺點則是動力電池無法維持長時間作業(yè)。目前汽車業(yè)界普遍采用減輕整車質(zhì)量的方式來增加純電動汽車的續(xù)航時間［1-2］。本文通過對尾門縱拉臂進行輕量化設計來提高純電動廂式垃圾車的續(xù)航能力。目前傳統(tǒng)的縱拉臂輕量化方法是基于工程師經(jīng)驗設計的基礎上，對零部件進行減板厚或者增加減重孔等方式。前者會降低尾門整體結(jié)構(gòu)剛度，削弱了尾門的密封性能；后者在縱拉臂減重孔周圍容易產(chǎn)生應力集中，降低了縱拉臂的疲勞強度，導致其壽命降低［3-4］。本文提出一種以應力和位移同時作為約束條件的拓撲優(yōu)化方法，對尾門縱拉臂進行輕量化設計。該輕量化設計思路旨在保證尾門縱拉臂結(jié)構(gòu)強度、剛度性能滿足要求的同時減輕尾門質(zhì)量。分析結(jié)果表明，該研究方法可以成功應用于尾門縱拉臂的輕量化設計。

1 尾門縱拉臂的靜力分析

1. 1 有限元模型創(chuàng)建

這里針對尾門縱拉臂數(shù)模進行簡化處理。首先，將縱拉臂從純電動廂式垃圾車數(shù)模中提取出來，然后導入HyperMesh 軟件中創(chuàng)建有限元模型?？v拉臂有限元模型的單元主要采用Shell 單元組成，各零部件材料均為Q355B。各鉸接點及焊接處均采用Rbe2 單元連接。尾門后板的質(zhì)心處添加質(zhì)量點Mass（質(zhì)量為155 kg）模擬尾門后板的質(zhì)量。各個關鍵硬點為：P1 尾門油缸加載點，P2 縱拉臂鉸接旋轉(zhuǎn)點，P3 縱拉臂上點，P4 縱拉臂下點，P5 尾門后板質(zhì)心點，P6 縱拉臂的箱體支撐點。模型創(chuàng)建流程及關鍵硬點標示如圖1 所示。

1. 2 分析工況定義

純電動廂式垃圾車作業(yè)流程為：尾門打開—垃圾塊裝載—尾門關閉—運輸—尾門打開—垃圾塊卸載—尾門關閉。對縱拉臂的運動狀態(tài)進行工況分解，分析工況定義見表1。

備注：其中SPC 1、2、3 是沿x、y、z軸方向線位移自由度；SPC 4、5、6 是沿x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角自由度。

1. 3 輸出分析結(jié)果

尾門縱拉臂六個工況的靜力分析結(jié)果見表2，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)強度和變形均滿足要求。

2 尾門縱拉臂的拓撲優(yōu)化分析

對尾門縱拉臂劃分設計空間，設計空間尺寸應覆蓋尾門縱拉臂的總體積?？紤]尾門縱拉臂與尾門油缸、尾門后板、垃圾箱箱體的焊接部位及鉸接點，該部分需要劃分為非設計空間，建立具有設計變量和非設計變量的有限元模型。拓撲優(yōu)化分析模型如圖2（a）所示。

經(jīng)過78 個迭代步的優(yōu)化迭代計算，將密度閾值設置為0.25，得到尾門縱拉臂優(yōu)化模型的最佳單元密度分布，如圖2（b）所示。

3 縱拉臂優(yōu)化數(shù)據(jù)的驗證分析

3. 1 縱拉臂CAD 優(yōu)化模型設計

使用HyperMesh 軟件的OSSmooth 功能，將縱拉臂優(yōu)化后的有限元模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CAD 數(shù)據(jù)文件，這里導出STEP 格式文件。再利用Catia 軟件對縱拉臂優(yōu)化后的曲面進行擬合和重構(gòu)，對各部分零件采用空心結(jié)構(gòu)，主體矩形管3 mm 板厚，其余板厚設置為2 mm。將更新后的縱拉臂數(shù)據(jù)導入Hypermesh 中重新建模，各分析工況及約束條件保持不變，重新提交有限元軟件進行靜力分析。

3. 2 拓撲優(yōu)化的數(shù)學模型

拓撲優(yōu)化設計三要素的定義，即設計變量的輸入、目標函數(shù)的確定、約束條件的設置，其中目標函數(shù)的表達式如式（1），約束條件的函數(shù)表達式如式（2），設計變量的函數(shù)表達式如式（3）。

根據(jù)前述尾門縱拉臂的靜力分析結(jié)果，D1、D2、D3、D4 為不同工況下各個關鍵硬點的取值，σmax 取值材料屈服強度。

3. 3 優(yōu)化后分析結(jié)果對比

尾門縱拉臂優(yōu)化后數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如表3所示。

4 結(jié)論

通過對純電動廂式垃圾車尾門縱拉臂進行靜力分析，以縱拉臂包絡空間作為設計變量，以靜力分析結(jié)果作為約束條件，最小體積作為優(yōu)化目標，對縱拉臂進行拓撲優(yōu)化分析。經(jīng)軟件求解后得出以下結(jié)論：（1）優(yōu)化后的縱拉臂整體變形與初版數(shù)據(jù)差別不大，滿足尾門密封性能要求。（2）優(yōu)化后縱拉臂的最大應力為138.8 MPa，比初版數(shù)據(jù)最大應力276.6 MPa，降低50%。優(yōu)化后的縱拉臂結(jié)構(gòu)強度明顯提高。（3）優(yōu)化后縱拉臂的總體積為0.002 442 m3，初版數(shù)據(jù)的總體積為0.003 452 m3，優(yōu)化后總體積降低29.3%，相對總質(zhì)量也降低29.3%。由此得出結(jié)論，純電動廂式垃圾車尾門縱拉臂通過應用拓撲優(yōu)化技術實現(xiàn)了輕量化。

參 考 文 獻

［ 1 ］ 王鈺棟， 金磊， 洪清泉， 等. HyperMesh &HyperView 應用技巧與高級實例[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［ 2 ］ 洪清泉，趙康，張攀，等.Optistruct&HyperStudy理論基礎與工程應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［ 3 ］ GE D，ZHU L，XUAN D.Topology optimization in electric car body frame based on optistruct[J].EDP Sciences，2017，100：01016.

［ 4 ］ 喬維高，田哲文，管群生，等. 專用汽車結(jié)構(gòu)與設計[M]. 北京：北京大學出版社，2010.