郭楹輝 白仲力 王金炯 陳 曉 董春旺

(1.臺州科技職業(yè)學(xué)院 機電與模具工程學(xué)院，浙江 臺州318020；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，浙江 杭州310008)

0 前言

汽車方向盤的設(shè)計好壞對整車駕駛安全性起到重要的作用，骨架作為方向盤的核心部件，良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是性能的先行條件。通過對骨架進(jìn)行CAE數(shù)值模擬分析，可縮短整個研發(fā)周期和費用，提高其綜合性能，本文采用多指標(biāo)試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，對骨架的力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)合典型相關(guān)分析方法，明確骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)與其性能之間的相關(guān)關(guān)系，為方向盤骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有效設(shè)計方法和理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬試驗分析

1.1 骨架模型建立

圓盤方向盤骨架可分為單輻、雙輻、三輻和四輻型，其主要由輪圈、輪輻、輪轂和花鍵套等部分組成。在UG三維軟件中建立骨架三維實體模型（如圖1）。

圖1 方向盤骨架結(jié)構(gòu)

1.2 試驗設(shè)計分析

由骨架結(jié)構(gòu)組成可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能間的關(guān)系是一個多因素多指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計問題，為此采用有限元數(shù)值模擬正交試驗的方法對其進(jìn)行分析研究[1-3]。對骨架性能主要影響因素有：輪輻寬L、輪輻高H、輪圈壁厚B1、輪輻壁厚B2、連接圓角R1、連接圓角R2和過渡圓角R3。分別建立不同因素水平組合的骨架三維有限元模型，在NX Nastran環(huán)境下進(jìn)行800N力的靜壓試驗和135N.m扭矩的靜扭強度試驗分析計算，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗方案及數(shù)值模擬結(jié)果

表2為試驗仿真數(shù)據(jù)及評估結(jié)果，其中應(yīng)力、位移、扭曲應(yīng)力和變形的最大試驗值是利用有限元仿真軟件Nastran仿真得出，最后1列的綜合評估得分為該行的5個無量綱值權(quán)重之和。無量綱值轉(zhuǎn)換如公式為：

式中：Xi為試驗值，Yi為無量綱值

因各項指標(biāo)重要程度有差異，故先對每項指標(biāo)的無量綱值乘以相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)得該項指標(biāo)的加權(quán)評分，本試驗中，位移與變形量指標(biāo)作為重要質(zhì)量指標(biāo)，以2倍計算，即權(quán)數(shù)為2，而對應(yīng)力、扭曲應(yīng)力與質(zhì)量等指標(biāo)，僅以排隊評分為依據(jù)，即權(quán)數(shù)為1，故其評分公式為：

綜合評分=節(jié)點應(yīng)力×1+位移×2+扭應(yīng)力×1+變形×2+質(zhì)量×1 （2）

如表3所示每號試驗的綜合評分。

2 典型相關(guān)分析

典型相關(guān)分析以每組指標(biāo)作為整體考慮，尋找這一組指標(biāo)的線性組合與另一組指標(biāo)的線性組合,使兩者之間的相關(guān)達(dá)到最大。以骨架的5個結(jié)構(gòu)參數(shù)為一組變量，以骨架性能的6個指標(biāo)為另一組變量，令:

式中，m1，m2，…，m13等為待定系數(shù)。使得U、V之間具有最大相關(guān)性,這個相關(guān)系數(shù)就是典型相關(guān)系數(shù)。試驗數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計分析軟件SPSS進(jìn)行處理。

2.1 骨架結(jié)構(gòu)與性能間的相關(guān)分析

由表2可知,綜合分均與位移、扭力、變形量間存在顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。變形量與扭力間存在極顯著正相關(guān)，即扭力越大變形越大。由表3可知，B1與應(yīng)力間存在顯著相關(guān)，H則對扭力、變形量及綜合性能起決定影響，H參數(shù)設(shè)計值越大扭力和變形越小，方向盤的質(zhì)量安全越有保障。

表2 骨架性能指標(biāo)間的相關(guān)分析

表3 骨架結(jié)構(gòu)與性能間的典型相關(guān)系數(shù)

2.2 骨架結(jié)構(gòu)與性能的典型相關(guān)分析

將骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)進(jìn)行典型相關(guān)分析，共得到6組典型變量，它們的典型相關(guān)系數(shù)及顯著水平見表4。由表4可以看出，前2組典型變量的典型相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平，其余4組典型變量均未達(dá)顯著水平。前2組典型變量基本反映了骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能間的相關(guān)關(guān)系，故選擇第Ⅰ、Ⅱ組典型變量進(jìn)行主要分析。

表4 骨架結(jié)構(gòu)與性能的典型相關(guān)分析

3 基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合性能預(yù)測模型

由上述分析知，通過逐步回歸分析，建立基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合性能預(yù)測模型，對設(shè)計中多參數(shù)選擇與性能摸底具有指導(dǎo)意義。對表2數(shù)據(jù)分析得到表5。可知，ZF綜合評分=7.818H-5.125B14.561L-98.061

表5 逐步回歸分析結(jié)果

4 結(jié)論

（1）由骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)與其性能的第Ⅰ、Ⅱ組典型相關(guān)分析,明確了結(jié)構(gòu)參數(shù)中的H輻高對性能中的扭力和變形起決定因素。結(jié)構(gòu)參數(shù)中的R2圓角對性能中的應(yīng)力起決定因素。

（2）通過逐步回歸分析方法，建立了基于H、B1和L的綜合評分預(yù)測方程，進(jìn)一步明確了結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能間存在相關(guān)關(guān)系，為方向盤骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計時提供指導(dǎo)方向和新的分析思路。

［1］毛萍莉，金銳，周樂，劉正.AM60鎂合金方向盤骨架壓鑄充型過程數(shù)值模擬[J].材料與冶金學(xué)報，2010(03):420-422.

［2］胡建軍，周冀衡，柴家榮，張仕華.多指標(biāo)正交試驗數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析及應(yīng)用[J].中國煙草學(xué)報，2008(02):09-14.

［3］周小紅，施漢昌，邱玉琴，劉加恩.復(fù)合式氧微電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對于性能的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008(06):991-994.