趙化剛，申伶，范學(xué)瓊，張博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

復(fù)合空氣懸架用導(dǎo)向臂支架輕量化設(shè)計(jì)

趙化剛，申伶，范學(xué)瓊，張博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章基于catia結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合hyperworks等有限元分析軟件，參考拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果完成復(fù)合空氣懸架用導(dǎo)向臂支架的輕量化設(shè)計(jì)。該方法對相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化有一定參考價(jià)值。

導(dǎo)向臂支架；有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-131-02

引言

隨著國內(nèi)快遞物流運(yùn)輸?shù)呐d起，用戶對車輛的輕量化、舒適性有了更高的要求，而復(fù)合空氣懸架由于具有重量輕、舒適性好、懸架高度可調(diào)的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。

為進(jìn)一步體現(xiàn)復(fù)合空氣懸架重量輕的優(yōu)勢，本文以該懸架系統(tǒng)中的導(dǎo)向臂支架作為研究對象，借助拓?fù)浞治黾坝邢拊?jì)算工具，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞分析

導(dǎo)向臂支架需承受來自導(dǎo)向臂的縱向力、側(cè)向力及扭轉(zhuǎn)力矩，此支架的強(qiáng)度對整車行駛過程中的安全性有至關(guān)重要的影響。

1.1 有限元模型

如圖1所示，采用HyperMesh對該支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)為模擬實(shí)際約束條件，通過截取部分車架，將導(dǎo)向臂支架通過螺栓與車架連接為一個(gè)整體。其中，車架總成采用面網(wǎng)格，導(dǎo)向臂支架采用體網(wǎng)格。

1.2 約束邊界條件

對車架兩端進(jìn)行全約束，導(dǎo)向臂支架與車架之間采用10 條M14×1.5螺栓連接，在導(dǎo)向臂總成在導(dǎo)向臂支架處安裝中心點(diǎn)加載。

圖1 有限元模型

1.3 載荷邊界條件

表1 工況及載荷

根據(jù)該支架在懸架系統(tǒng)中的作用，按以下四個(gè)工況進(jìn)行加載分析：超載工況；重載急轉(zhuǎn)彎；重載強(qiáng)制動；車架扭轉(zhuǎn)。具體加載力見表1，數(shù)據(jù)提取于整車多體分析。

1.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞分析

1.4.1 靜強(qiáng)度分析

該支架所用材料為QT500-7 ，按以上約束及載荷條件，對原方案支架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。經(jīng)分析，如圖2所示，各工況安全系數(shù)分別為：3.79、9.05、3.39、1.54。

圖2 原方案分析應(yīng)力云圖

2、拓?fù)鋬?yōu)化

為達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)目的，縮短設(shè)計(jì)周期，采用拓?fù)鋬?yōu)化手段改變材料布局，從而實(shí)現(xiàn)不降低強(qiáng)度同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化。

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化方法

目前常用的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法有均勻化方法、變密度法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。本文采用變密度法進(jìn)行導(dǎo)向臂支架的拓?fù)鋬?yōu)化，其基本思想是引入一種假想的密度在0~1之間的密度可變材料，將連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散為有限元模型后，以每個(gè)單元的密度為設(shè)計(jì)變量，將結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單元材料的最優(yōu)分布問題。

2.2 導(dǎo)向臂支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在HyperMesh 中把離散后的有限元模型劃分成設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間，定義設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件，通過ptiStruct 求解器對拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在HyperView 中進(jìn)行后處理，最后利用RADIOSS求解器對重新設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型進(jìn)行性能分析。

2.3 設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間

將螺栓連接部位及導(dǎo)向臂安裝部位設(shè)置為非設(shè)計(jì)空間，而設(shè)計(jì)空間是在保證零件之間不發(fā)生干涉的情況下以原結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)， 根據(jù)零部件與周圍相連部件間的靜態(tài)裝配關(guān)系、運(yùn)動關(guān)系等條件而確定的?；谝陨显瓌t且保證優(yōu)化過程中的拓?fù)淇臻g，完成該支架拓?fù)鋬?yōu)化空間，如圖3所示。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化模型

2.4 拓?fù)鋬?yōu)化

該導(dǎo)向臂支架拓?fù)鋬?yōu)化主要綜合考慮3 種載荷工況下結(jié)構(gòu)全局應(yīng)力約束、關(guān)鍵點(diǎn)的位移約束和體積比約束等。模型全局應(yīng)力約束上限值為280 MPa；設(shè)定導(dǎo)向臂支架的體積比上限為0.5，即最多保留拓?fù)淠Ｐ涂傮w積的50%； 保證優(yōu)化后模型第1 階頻率不低于原結(jié)構(gòu)；設(shè)定載荷集中點(diǎn)的位移約束為最大位移1.5 mm；考慮設(shè)計(jì)零件的可制造性，使用脫模方向約束創(chuàng)建拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量，允許模具沿給定方向滑動。

2.5 拓?fù)浣Y(jié)果

利用HyperWorks中的OptiStruct平臺進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，圖4為導(dǎo)向臂支架拓?fù)鋬?yōu)化空間的材料密度分布云圖。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，綜合鑄造工藝、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用catia軟件完成優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

2.6 優(yōu)化前后性能對比

按原方案約束及載荷邊界條件對優(yōu)化后的方案進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到的優(yōu)化方案應(yīng)力云圖見圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案應(yīng)力云圖

與原方案靜強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2所示。

表2 靜強(qiáng)度安全系數(shù)對比

由表2可知，優(yōu)化方案的安全系數(shù)雖較原方案均略有下降，但均不小于1，可滿足使用要求。而作為本次優(yōu)化的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目，優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)降重19%，不僅成功實(shí)現(xiàn)降重目標(biāo)，且提升了鑄造工藝性及美觀性，同時(shí)降低了裝配工人的勞動強(qiáng)度。

[1] 楊銀輝,上官望義,馬生平,楊忠平,司震鵬.基于HyperWorks 導(dǎo)向臂支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì).汽車實(shí)用技術(shù),2014(10).

[2] 趙永輝,馬力,王元良,等．自卸車舉升機(jī)構(gòu)三角臂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).專用汽車.2007(9):33~34.

The Lightwight Design of Guiding arm bracket used in Hybrid air suspension

Zhao Huagang, Shen Ling, Fan Xueqiong, Zhang Bo
( Shaanxi Heavy Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Based catia design, combined hyperworks and other finite element analysis software, the reference topology optimization results complete air suspension with lightweight composite design guiding arm bracket. The method of design optimization related parts have a certain reference value.

guiding arm bracket; finite element analysis; topology optimization; lightweight

U462.1

A

1671-7988(2016)07-131-02

趙化剛，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，主要從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.041