基于增材制造的商用車后處理器支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法

摘要： 為探究基于增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法在商用車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，將商用車后處理器支架作為試驗(yàn)對(duì)象，通過拓?fù)溆?jì)算、幾何重構(gòu)、打印仿真分析等優(yōu)化流程，提出了2種材料的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，利用選區(qū)激光熔化（SLM）工藝完成實(shí)物增材制造。最終，2種方案均通過了8 000 km強(qiáng)化路臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，基于增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法滿足設(shè)計(jì)及性能要求。

關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化 增材制造 輕量化 商用車 后處理器支架

中圖分類號(hào)：U466 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240383

Topology Optimization Design Method of Commercial Vehicle Post Processor Bracket Based on Additive Manufacturing

Luo Chi， Zhang Yipeng， Xia Ji， Wang Zhongyang， Han Tao， Zhao Qiang

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： To explore the application value of topological optimization design method based on additive manufacturing in the field of commercial vehicle lightweighting， this paper proposes 2 types of optimization schemes through the optimization process of topological calculation， geometric reconstruction and print simulation analysis taking the commercial vehicle post processor bracket as the test object， and the Selective Laser Melting （SLM） process is utilized to complete the physical additive manufacturing. Finally， both schemes pass the verification of the 8 000 km enhanced road bench test， the results indicate that the topology optimization design method based on additive manufacturing fulfills the design and performance requirements.

Key words： Topology optimization， Additive manufacturing， Lightweight， Commercial vehicle， Post processor bracket

1 前言

在商用車領(lǐng)域的諸多技術(shù)發(fā)展路線中，整車輕量化不僅是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑[1-2]，還能提升能源利用效率，降低整車使用成本[3]。

在眾多輕量化設(shè)計(jì)方法中，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)因其高效、創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域[4]。增材制造（3D打?。┘夹g(shù)具有高自由度的工藝優(yōu)勢(shì)，能最大程度地滿足拓?fù)鋬?yōu)化復(fù)雜的制造需求。孟亮等通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部系統(tǒng)支架質(zhì)量降低15%、結(jié)構(gòu)剛度提升20%的增益效果，并運(yùn)用增材制造完成裝配結(jié)構(gòu)一體化制造，提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量與效率[5]；李英杰等結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)，完成一體化多功能輕量化機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)的制造，在滿足質(zhì)量要求的同時(shí)大幅提升散熱性能[6]；李超等采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足一定性能要求并減重15%左右的商用車底盤車架結(jié)構(gòu)，計(jì)劃采用增材制造加以實(shí)現(xiàn)[7]。綜上所述，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與增材制造工藝相結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最佳輕量化效果。

2 基于增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化流程

本文的拓?fù)鋬?yōu)化以提升汽車輕量化效果為目標(biāo)，在滿足載荷工況、工藝約束等條件下，計(jì)算出最優(yōu)的材料分布方案，作為模型重構(gòu)與迭代的參考，并結(jié)合性能分析，完成零件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

后續(xù)增材制造應(yīng)用選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）工藝來實(shí)現(xiàn)，該工藝通過高功率激光束將金屬粉末逐層熔合成型，具有精度高、性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)自由度廣的優(yōu)點(diǎn)?；谠霾闹圃斓耐?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

3 項(xiàng)目背景

考慮到SLM的工藝特點(diǎn)以及未來量產(chǎn)的需要，選擇結(jié)構(gòu)成熟、工況復(fù)雜、尺寸≤400 mm的商用車功能類結(jié)構(gòu)件作為試驗(yàn)對(duì)象。本文選用商用車后處理器支架開展設(shè)計(jì)及制造驗(yàn)證。由于鑄造工藝限制，其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已不具備輕量化空間，如圖2所示。該支架尺寸為300 mm×145 mm×55 mm，材料為QT550-6，質(zhì)量為3.248 kg。

該支架與其附支架是將后處理器總成固定在車架縱梁上的主要連接件，共同承載后處理器總成運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的沖擊力，具體裝配形式如圖3所示。后處理器總成質(zhì)量為121 kg，結(jié)合前期路試試驗(yàn)結(jié)果，得出其在各工況下的疲勞載荷，如表1所示。

4 基于增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 明確邊界條件

4.1.1 最大化設(shè)計(jì)域

拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算前，應(yīng)明確劃分支架的設(shè)計(jì)域與非設(shè)計(jì)域。設(shè)計(jì)域是指需進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算的初始結(jié)構(gòu)，而非設(shè)計(jì)域不參與優(yōu)化、材料分布不發(fā)生改變。為充分發(fā)揮拓?fù)鋬?yōu)化的潛力，保證約束及載荷準(zhǔn)確、有效地傳遞到結(jié)構(gòu)上，對(duì)設(shè)計(jì)域進(jìn)行最大化處理，即設(shè)計(jì)域擴(kuò)展為在實(shí)際裝配和運(yùn)動(dòng)中與其他零件不發(fā)生干涉的最大設(shè)計(jì)輪廓[8]。通過拓?fù)溆?jì)算，得到支架的最佳材料分布方案，零件的制造和裝配工藝性也要作為約束條件，避免生成的全新材料分布無實(shí)用價(jià)值，失去重構(gòu)與迭代的意義。

鑒于支架與車架縱梁、后處理器之間的裝配關(guān)系，支架的裝配孔位劃分為非設(shè)計(jì)域，最大化設(shè)計(jì)域，方案如圖4所示。

4.1.2 定義材料

為驗(yàn)證基于增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的普遍有效性，考慮到SLM與傳統(tǒng)工藝在材料應(yīng)用上的差異，本文選擇316L不銹鋼與TC4鈦合金2種材料進(jìn)行支架的優(yōu)化及制造，分別設(shè)為優(yōu)化支架1和優(yōu)化支架2，具體材料性能對(duì)比如表2所示。

4.1.3 定義載荷

根據(jù)零件具體裝配關(guān)系構(gòu)建空間拓?fù)溆?jì)算模型，用“質(zhì)量點(diǎn)”的形式替代后處理器總成，同時(shí)完成載荷定義，具體如圖5所示。

4.2 拓?fù)溆?jì)算

明確邊界條件后，將后續(xù)打印及后處理的工藝便捷性、形狀控制、輕量化效果和性能參考價(jià)值作為約束條件，計(jì)算目標(biāo)設(shè)定為最大化剛度。

計(jì)算后，以安全系數(shù)作為衡量指標(biāo)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，判斷依據(jù)為安全系數(shù)小于1的區(qū)域不超過整體的30%，即為滿足重構(gòu)參考的要求，結(jié)果有效。

優(yōu)化支架1和優(yōu)化支架2的計(jì)算結(jié)果均有效，如圖6所示。

4.3 幾何重構(gòu)

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的計(jì)算結(jié)果，完成數(shù)模的幾何重構(gòu)，該過程保證重構(gòu)的結(jié)構(gòu)不超過最大設(shè)計(jì)域，避免出現(xiàn)薄壁、細(xì)棒、尖角等特殊結(jié)構(gòu)影響后續(xù)打印。

對(duì)安全系數(shù)較低或較高的區(qū)域，合理地進(jìn)行增加或刪減，最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖7所示。對(duì)比初始支架，優(yōu)化支架1質(zhì)量為2.77 kg，降低14.7%，優(yōu)化支架2質(zhì)量為1.81 kg，降低44.3%。

4.4 性能分析

幾何重構(gòu)后，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析，評(píng)估指標(biāo)為安全系數(shù)、屈服應(yīng)力與米塞斯等效應(yīng)力的比值，當(dāng)2項(xiàng)指標(biāo)均≥1時(shí)，支架性能達(dá)標(biāo)。安全系數(shù)計(jì)算如下：

[n=σu[σ]] " （1）

式中：n為安全系數(shù)，σu為極限應(yīng)力，[σ]為許用應(yīng)力。

本文分析過程中，將米塞斯等效應(yīng)力視為許用應(yīng)力，屈服應(yīng)力視為極限應(yīng)力，兩者比值也作為評(píng)價(jià)性能的參考。觀察支架在各工況下的安全系數(shù)、米塞斯等效應(yīng)力，若所有位置的安全系數(shù)大于1或所選材料的屈服應(yīng)力大于米塞斯等效應(yīng)力則視為滿足零件的性能要求。

綜上，分析結(jié)果如下：

a. 各工況下的安全系數(shù)如圖8所示，優(yōu)化支架1的安全系數(shù)最小值為1.124，優(yōu)化支架2的安全系數(shù)最小值為1.418，均滿足性能要求。

b. 各工況下的米塞斯等效應(yīng)力如圖9所示，優(yōu)化支架1的米塞斯等效應(yīng)力最大值為369.8 MPa，316L的屈服應(yīng)力400 MPa，比值gt;1，優(yōu)化支架2的米塞斯等效應(yīng)力最大值為915.5 MPa，TC4的屈服應(yīng)力為930 MPa，比值gt;1，均滿足性能要求。

c. 綜合安全系數(shù)與米塞斯等效應(yīng)力的比值結(jié)果分析，當(dāng)垂直工況載荷為-6.5 g時(shí)，目標(biāo)支架穩(wěn)定性最差，且2種優(yōu)化支架均在此工況下產(chǎn)生最大位移，分別為1.395 mm與4.336 mm，如圖10所示，有一定的失效風(fēng)險(xiǎn)，還需結(jié)合CAE仿真軟件進(jìn)行安全系數(shù)分析。如圖11所示，其安全系數(shù)最小值分別為1.13和3.39，均滿足性能要求。

5 實(shí)物驗(yàn)證

5.1 零件打印

零件性能分析完成后，通過SLM工藝實(shí)現(xiàn)零件的制造。為保證零件打印質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的一致性，打印前進(jìn)行仿真分析。

設(shè)定最小化單層切片面積、零件平行于成形方向2條工藝要求為方案約束條件，并結(jié)合成本、質(zhì)量等維度選擇最佳打印方案。

4種方案依據(jù)45°擺放原則，具體支撐及擺放形式如圖12所示：優(yōu)化支架1橫向擺放的支撐質(zhì)量約為0.33 kg，縱向擺放的支撐質(zhì)量約為0.15 kg；優(yōu)化支架2橫向擺放的支撐質(zhì)量約為0.135 kg，縱向擺放的支撐質(zhì)量約為0.068 kg。

對(duì)上述4種工藝方案進(jìn)行打印仿真分析，具體分析結(jié)果如圖13所示，變形集中區(qū)域均已標(biāo)注。圖13a所示的優(yōu)化支架1橫向擺放整體變形幅度區(qū)間為-0.59～0.42 mm（負(fù)值代表該區(qū)域向內(nèi)收縮，正值代表該區(qū)域向外擴(kuò)張）；圖13b所示的優(yōu)化支架2橫向擺放整體變形幅度區(qū)間為-1.81～1.14 mm；圖13c所示的優(yōu)化支架1縱向擺放整體變形區(qū)間為-0.55～0.40 mm；圖13d所示的優(yōu)化支架2縱向擺放整體變形區(qū)間-1.27～0.93 mm。結(jié)果表明，2種優(yōu)化支架縱向擺放仿真的變形幅度與極值的絕對(duì)值比橫向擺放小，且大部分區(qū)域變形較為規(guī)律，更易控形。

結(jié)合上述分析，優(yōu)化支架1、優(yōu)化支架2均采用縱向擺放進(jìn)行打印，實(shí)物如圖14所示。

5.2 臺(tái)架試驗(yàn)

5.2.1 載荷譜采集

本文基于某車型開展試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路載荷譜采集，選取后處理器總成的相關(guān)測(cè)點(diǎn)布置傳感器，采集實(shí)車在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路行駛過程中的響應(yīng)信號(hào)，作為臺(tái)架試驗(yàn)的期望響應(yīng)。后經(jīng)濾波、去除毛刺及趨勢(shì)項(xiàng)等數(shù)據(jù)處理后得到臺(tái)架試驗(yàn)的期望響應(yīng)，作為臺(tái)架系統(tǒng)模擬迭代的目標(biāo)信號(hào)。

當(dāng)優(yōu)化支架在臺(tái)架上產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的誤差值達(dá)到模擬迭代精度要求時(shí)，生成的臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)可作為臺(tái)架耐久性驗(yàn)證的最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)臺(tái)架進(jìn)行耐久性驗(yàn)證。

5.2.2 臺(tái)架耐久性驗(yàn)證

本文利用總成多軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)，搭建后處理器總成支架6通道多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架，并參考實(shí)車裝配關(guān)系將后處理器總成及后處理器支架搭載在模擬車架上，如圖15所示。

通過系統(tǒng)模擬迭代獲取臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)臺(tái)架對(duì)優(yōu)化的后處理器支架進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，對(duì)每種支架模擬強(qiáng)化路里程8 000 km。優(yōu)化支架1、優(yōu)化支架2均通過了當(dāng)量8 000 km的強(qiáng)化路臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證且過程中均未損壞，因此，判定為試驗(yàn)通過。試驗(yàn)后的支架如圖16所示。

6 結(jié)束語

本文通過基于增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，在保證零件性能、功能要求的基礎(chǔ)上，完成了2種商用車后處理器支架的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，相比于初始支架，質(zhì)量分別減輕14.7%、44.3%。

基于增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠合理、高效地實(shí)現(xiàn)商用車功能類結(jié)構(gòu)件的輕量化，隨著拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，將在商用車輕量化領(lǐng)域發(fā)揮作用。

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