葉 飛

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

新型真空筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

葉 飛

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

本文詳細(xì)地介紹了某車型不規(guī)則塑料真空筒的設(shè)計過程，并以實車驗證為依據(jù)，證明了理論模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性，為儲能產(chǎn)品的設(shè)計提供一定的參考和指導(dǎo)作用。

塑料；真空筒；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；儲能

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-55-05

引言

真空筒是液壓制動系統(tǒng)中用來儲存真空的儲能裝置，也有稱之為真空罐。其儲存的真空可在車輛行車制動時，為真空助力器提供足夠的真空以滿足頻繁制動的需求。真空筒多見于輕型商用車上，而很少應(yīng)用到乘用車上。其主要原因是：一般乘用車的總質(zhì)量較小，制動時所需的真空較少，即使是頻繁的制動，真空泵的抽取速度基本都能滿足要求，而商用車的總質(zhì)量較大，其制動時所需的真空相對較多，頻繁制動時，若不匹配真空筒，真空泵的抽取速度難以跟上消耗速度，會降低真空助力器助力的助力效果，尤其在山路下坡時，會因為整車慣性較大，產(chǎn)生安全隱患。

隨著越來越多的新車型的開發(fā)，發(fā)艙的布置會不盡相同。當(dāng)某些車型的發(fā)艙空間難以存放一個規(guī)則的固定容積的真空筒時，將真空筒設(shè)計成不規(guī)則形狀會成為一種需求。目前傳統(tǒng)的真空筒都是通過鈑金沖壓生成上下兩個筒體，然后將上下筒體以及附屬的支架等焊接在一起，如此就行成了真空筒總成。然而不規(guī)則的真空筒則難以通過傳統(tǒng)的鈑金沖壓工藝實現(xiàn)，而目前常見的儲能產(chǎn)品主要為兩種材質(zhì)，一種是金屬材質(zhì)，一種是塑料材質(zhì)。而如何設(shè)計一款結(jié)構(gòu)可靠的不規(guī)則塑料真空筒成為擺在設(shè)計人員面前的一個難題，下文則將通過某一輕型客車塑料真空筒的開發(fā)案例，介紹塑料材質(zhì)真空筒從結(jié)構(gòu)設(shè)計到強(qiáng)度優(yōu)化以及試驗驗證的開發(fā)過程，為同類型產(chǎn)品的開發(fā)提供指導(dǎo)性建議。

1、某車型塑料真空筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 概述

在某輕型客車開發(fā)過程中，由于發(fā)動機(jī)較大，導(dǎo)致發(fā)艙內(nèi)空間狹小，難以布置下一個6L大小的真空筒，即使勉強(qiáng)布置下，也會影響發(fā)艙散熱，產(chǎn)生熱害風(fēng)險，所以需要將真空筒移至發(fā)艙外布置。最終經(jīng)過綜合考慮決定將真空筒布置在右前輪包下，由于布置位置特殊，真空筒形狀無法設(shè)計成傳統(tǒng)的圓筒狀或方盒狀，造型相對奇特；而受造型影響，傳統(tǒng)的鈑金沖壓件工藝難以實現(xiàn)，因此該真空筒最終采用了塑料材質(zhì)。上下筒體分別注塑成型，然后將上下筒體通過熱板焊接成一體，如此該真空筒總成得以成型。

1.2 原始方案

受輪包形狀和輪胎位置的影響，該真空筒設(shè)計成類似菱形的形狀，如圖1所示，分為上下筒體結(jié)構(gòu)，分別如圖2和圖3所示，其整車布置示意圖如圖4所示。在初次設(shè)計此種不規(guī)則塑料真空筒時，缺少相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的案例指導(dǎo)，導(dǎo)致按此方案開發(fā)的真空筒實物在裝車后即發(fā)現(xiàn)靠近輪胎的一面存在凹陷現(xiàn)象，并在三臺可靠性樣車行駛至12000KM左右均出現(xiàn)了凹陷面開裂漏氣故障。針對此問題，通過其他結(jié)構(gòu)型產(chǎn)品的設(shè)計引入CAE結(jié)構(gòu)分析工具對原始方案進(jìn)行理論模型的強(qiáng)度校核，并對市場上某成熟鐵質(zhì)真空筒進(jìn)行對比，設(shè)定合理的性能目標(biāo)，對該塑料真空筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除不合理的設(shè)計因素。

1.3 性能目標(biāo)設(shè)定

方案 材料 屈服極限(MPa)最大應(yīng)力(MPa)最大位移(mm)原始方案 PP+30%玻璃纖維 80 107.9 8.109鐵質(zhì)方案 Q235 235 54.83 0.243

該塑料真空筒具體材質(zhì)為PP+30%玻璃纖維，彈性模量為5400MPa，泊松比為0.43，屈服極限為120MPa(彎曲)和80MPa(拉伸)，真空筒所受負(fù)壓為95KPa。對原始方案進(jìn)行CAE分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示；對成熟鐵質(zhì)真空筒進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7和圖8所示。結(jié)論：由以上CAE分析可知：該塑料真空筒原始方案的最大應(yīng)力超出屈服極限，最大位移為8.1mm，而鐵質(zhì)真空筒的的最大應(yīng)力和最大位移均是較小的。因此根據(jù)鐵質(zhì)真空筒強(qiáng)度水平，結(jié)合塑料真空筒確實存在的結(jié)構(gòu)差異，將該塑料真空筒的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)定在：最大應(yīng)力小于30MPa，最大位移與鐵質(zhì)真空筒保持同一量級，即小于1mm。

1.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對原始方案結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，原始方案強(qiáng)度較弱區(qū)域如圖9所示，與實際故障相符，主要是因為此區(qū)域為平面。過棱邊中點的截面反映此區(qū)域的幾何特征。線段1、3構(gòu)成一個截面，線段2、4構(gòu)成一個截面。1與3之間、2與4之間的夾角均為180度。要提高該區(qū)域的強(qiáng)度，可以通過將棱邊中點向外移動來實現(xiàn)，如圖10所示。

1.4.1 優(yōu)化方案1

在以上分析的基礎(chǔ)上，將棱邊中點向外移動12mm做優(yōu)化嘗試，CAE分析結(jié)果如圖11和圖12所示。

1.4.2 優(yōu)化方案2

同樣將棱邊中點向外移動24mm，做嘗試對比，CAE分析結(jié)果如13和圖14所示。

方案 材料 屈服極限(MPa)最大應(yīng)力(MPa)最大位移(mm)原始方案 PP+30%玻璃纖維 80 107.9 8.109優(yōu)化方案1 PP+30%玻璃纖維 80 74.99 3.145優(yōu)化方案2 PP+30%玻璃纖維 80 59.88 1.947

由以上對比分析可知，將棱邊中點向外移動可有效提升該真空筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但單純的移動棱邊中點還無法達(dá)到目標(biāo)要求，還需要從其他角度考慮。

1.4.3 優(yōu)化方案3

加強(qiáng)筋是多數(shù)結(jié)構(gòu)型產(chǎn)品設(shè)計中經(jīng)常應(yīng)用到的輔助工具，因此可對原始方案的加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化，首先考慮的就是增加加強(qiáng)筋的厚度，因此根據(jù)此思路在優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上再將內(nèi)部加強(qiáng)筋厚度由1.5mm增大至3mm，做優(yōu)化嘗試，CAE分析結(jié)果如下所示。

方案 材料 屈服極限(MPa)最大應(yīng)力(MPa)最大位移(mm)原始方案 PP+30%玻璃纖維 80 107.9 8.109優(yōu)化方案1 PP+30%玻璃纖維 80 74.99 3.145優(yōu)化方案1+優(yōu)化方案3 PP+30%玻璃纖維 80 59.88 1.947優(yōu)化方案2 PP+30%玻璃纖維 80 59.88 1.947優(yōu)化方案2+優(yōu)化方案3 PP+30%玻璃纖維 80 41.61 1.939

由以上對比分析可知，通過移動棱邊中點和增加內(nèi)部加強(qiáng)筋厚度可有效提升該真空筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向性的引導(dǎo)，但具體優(yōu)化仍需進(jìn)一步完善。

1.4.4 優(yōu)化方案4

在以上優(yōu)化方案的嘗試和對比的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合傳統(tǒng)成熟結(jié)構(gòu)型產(chǎn)品的設(shè)計案例，對該塑料真空筒采取的綜合優(yōu)化方案為：

（1）將原薄弱平面優(yōu)化成圓弧面（弧面大小受輪胎極限位置限制），如圖19所示；

（2）將內(nèi)部加強(qiáng)筋由普通結(jié)構(gòu)改為U型結(jié)構(gòu)，同時厚度由1.5mm增大至3.5mm，如圖20所示。

按此做優(yōu)化嘗試，CAE分析結(jié)果如圖21和圖22所示。

方案 材料 屈服極限(MPa)最大應(yīng)力(MPa)最大位移(mm)原始方案 PP+30%玻璃纖維 80 107.9 8.109目標(biāo)方案 PP+30%玻璃纖維 80 ＜30 ＜1優(yōu)化方案4 PP+30%玻璃纖維 80 27.9 0.798

由上表可知，優(yōu)化方案4達(dá)到最初制定的性能目標(biāo)，符合設(shè)計要求。按照優(yōu)化方案4成型的真空筒實物在經(jīng)過85萬次臺架疲勞試驗和總里程為6萬公里的實車可靠性驗證后，均未出現(xiàn)任何問題。以上實踐證明：基于理論模型的真空筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有效和實用的。

2、總結(jié)

本文通過理論與實際相結(jié)合，以傳統(tǒng)鐵質(zhì)真空筒為參考，依托CAE分析手段，詳細(xì)地介紹了某不規(guī)則塑料真空筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，并以試驗為依據(jù)，證明了理論模型優(yōu)化的有效性，為儲能產(chǎn)品，尤其是不規(guī)則形狀的開發(fā)提供一定的參考和指導(dǎo)作用。

所以在設(shè)計真空筒或其它儲能產(chǎn)品時，當(dāng)遇到不規(guī)則結(jié)構(gòu)形狀限制而無法使用傳統(tǒng)鐵質(zhì)材料時，可考慮使用塑料或其他材料，以類似成熟產(chǎn)品為參考，設(shè)定合理的性能目標(biāo)。在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，盡量使承壓處球面化，因為球形面在受到發(fā)散型壓力時，其受力是均勻分布的，可有效避免應(yīng)力集中。若不能球面畫，可添加適宜的加強(qiáng)筋等輔助措施以增強(qiáng)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另應(yīng)避免尖銳的過渡。如此，一個可靠的非金屬質(zhì)儲能產(chǎn)品是可以實現(xiàn)的。

理論模型的CAE分析存在一定的誤差，但可通過對比為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向性的指導(dǎo)。

在本次設(shè)計中，理論分析借助了應(yīng)用軟件HyperMesh。

[1] 王望予 《汽車設(shè)計》 機(jī)械工業(yè)出版社；

[2] 張勝蘭 鄭冬黎 郝琪等 《基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)》 機(jī)械工業(yè)出版社。

New vacuum tube structure optimization

Ye Fei
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601）

This paper firstly presents the design process of one plastic vacuum tube, according to vehicle test, proves the validity of the theoretical model structure optimization and provides certain reference and guidance for the design of the energy storage products.

plastic；vacuum tube；structure optimization；energy storage

U463.5

A

1671-7988(2014)09-55-05

葉飛，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。