高松，李海波，董金國，邵剛（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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HyperWorks在商用車上支架類零部件開發(fā)的應(yīng)用

高松，李海波，董金國，邵剛
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘要：文章基于CATIA和Hyperworks軟件,以某自卸車減振器下支架為例,通過采用變密度法拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，然后采用非線性準(zhǔn)靜態(tài)分析方法和螺栓預(yù)緊分析方法對(duì)優(yōu)化過的模型進(jìn)行應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明,基于HyperWorks的設(shè)計(jì)方法,可以滿足商用車支架類零部件的輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化；螺栓預(yù)緊分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-18-04

引言

商用車種類繁多，尤其是客車、重卡等大型車輛，設(shè)計(jì)輸入很多來自市場(chǎng)訂單，在現(xiàn)有產(chǎn)品上進(jìn)行變型變動(dòng)開發(fā)。因此，真正留給設(shè)計(jì)員的設(shè)計(jì)時(shí)間很短，如何在有限時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)出滿足需求，且輕量化的零部件，對(duì)于公司快速占領(lǐng)市場(chǎng)，獲得更高的利潤，有著重大的意義。本文以某自卸車減振器下支架設(shè)計(jì)開發(fā)為例，簡述借助于CATIA和Hyperworks軟件獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案的一種設(shè)計(jì)方法。

1、拓?fù)鋬?yōu)化概述

拓?fù)鋬?yōu)化這一方法已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它也被稱為結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，在研究對(duì)象的外在形狀還未確定前，能夠只在外部受力的條件下對(duì)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，這是此方法的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)。拓?fù)鋬?yōu)化包含設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三類要素。其中，設(shè)計(jì)變量是優(yōu)化過程中發(fā)生改變的一組參數(shù)；目標(biāo)函數(shù)即要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)性能，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)；而約束條件是對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的限制。

拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為：

拓?fù)鋬?yōu)化過程中，目標(biāo)函數(shù)f(X)、約束函數(shù)g(X)與 h(X )為定義在有限元分析中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計(jì)變量X為一個(gè)矢量，它的選擇依賴于優(yōu)化方法，本文中，采取的優(yōu)化方法為變密度法(SIMP)，即設(shè)計(jì)變量為單元密度。

2、有限元準(zhǔn)靜態(tài)非線性分析

對(duì)于支架類的有限元分析，我們通常采用線性靜態(tài)分析，有限元求解方程即：

式中，K為結(jié)構(gòu)的總剛矩陣，矢量u為位移矢量，P是作用在結(jié)構(gòu)上的載荷向量，該方程實(shí)際上是結(jié)構(gòu)的外力與內(nèi)力平衡。使用線性靜態(tài)分析，需要對(duì)支架約束進(jìn)行簡化，在某些情況下可以達(dá)到理想的計(jì)算精度。但是結(jié)構(gòu)若存在非線性接觸，使用線性分析簡化模型不能獲得精確的結(jié)果。因此，本文中支架應(yīng)力分析采用的是非線性準(zhǔn)靜態(tài)分析，以獲得更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。非線性準(zhǔn)靜態(tài)分析采用的計(jì)算方法為牛頓法，即將載荷P劃分為有限數(shù)目的增量?P逐步施加到結(jié)構(gòu)上，最終通過迭代減少非線性殘差，使計(jì)算收斂，獲得更加精確的分析結(jié)果。

3、螺栓連接模擬

支架類零件大多通過螺栓安裝在相應(yīng)位置，在有限元中，對(duì)于螺栓的處理可大致分為三種：（1）簡化為RBE2+BEAM+ RBE2組合單元，如圖1；（2）將螺栓實(shí)體建模，在截面添加預(yù)緊力，與支架接觸面添加接觸，如圖2；（3）對(duì)螺栓進(jìn)行精確建模，包括所有的細(xì)節(jié)特征，如螺紋、倒角等，然后在接觸面添加接觸單元。第一種螺栓模擬方式，主要使用在車架分析、貨箱分析等大結(jié)構(gòu)分析中，該分析不考慮螺栓孔處的受力，操作簡單，但孔邊剛度大，且不能引入螺栓預(yù)緊力，因此不能正確反應(yīng)螺栓孔處的應(yīng)力分布；第二種螺栓模擬方式，主要使用在支架類分析，關(guān)心螺栓孔邊的應(yīng)力，但不能體現(xiàn)出螺紋等細(xì)節(jié)處的應(yīng)力分布；第三種模擬方式，既可以體現(xiàn)螺栓細(xì)節(jié)處的受力，又能精確體現(xiàn)出支架螺栓孔處的受力，但模型過于復(fù)雜，且計(jì)算量太大，僅適用考察螺栓受力的場(chǎng)合。本次減振器下支架有限元分析中，4.3節(jié)中，我們主要獲得Topo優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即減振器作用點(diǎn)A的最大位移，因此該處的螺栓采用RBE2+BEAM+RBE2形式來模擬；在4.6節(jié)中，我們關(guān)心支架的應(yīng)力分布，因此選擇第二種螺栓簡化方式。

第一種螺栓模擬方式如下圖：

圖1　RBE2+BEAM+RBE2螺栓模擬方式

上下兩個(gè)RBE2單元從節(jié)點(diǎn)為螺栓安裝面處的節(jié)點(diǎn)，中間主節(jié)點(diǎn)通過兩個(gè)CBEAM單元相連，模擬螺栓桿部。約束CBEAM單元中部節(jié)點(diǎn)六個(gè)DOF，表達(dá)為支架通過螺栓安裝在基體上。

第二種螺栓模擬方式如下圖：

圖2　帶預(yù)緊力的螺栓實(shí)體模擬方式

螺栓通過螺紋安裝在基體上，預(yù)緊被預(yù)緊部件，將螺桿截?cái)?，在橫截面兩側(cè)的螺栓上施加大小相等，作用相反的力，即螺栓預(yù)緊力。螺桿在預(yù)緊力作用下，會(huì)重疊L?，軟件自動(dòng)去除一側(cè)螺栓處的L?長材料后，將兩端螺桿合并，即螺栓預(yù)緊完畢，達(dá)到“鎖止”狀態(tài)。后面的其他工況可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行，這樣，帶螺栓預(yù)緊的支架有限元分析結(jié)果才會(huì)更加準(zhǔn)確，對(duì)判斷支架強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)有重大的意義。

4、開發(fā)流程圖

圖3

5、減振器下支架設(shè)計(jì)

5.1設(shè)計(jì)輸入和設(shè)計(jì)約束

基于自卸車前懸架布置和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置，本次設(shè)計(jì)空間為圖中虛線所指方向，減振器下支點(diǎn)硬點(diǎn)位置為圖4所指示位置：

圖4　減振器下支架設(shè)計(jì)約束

5.2原始模型

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入和設(shè)計(jì)約束，在CATIA中進(jìn)行初步的3D數(shù)模繪制，如圖5所示：

圖5　原始模型

5.3原始模型的FEA分析

圖6　原始模型位移云圖

圖7　原始模型vonMises應(yīng)力云圖

對(duì)減振器下支架原始模型采用Hexa8網(wǎng)格進(jìn)行離散，對(duì)安裝螺栓采用第一種螺栓模擬方式，減振器安裝孔處，采用RBE2單元對(duì)孔內(nèi)壁單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，RBE2中間從節(jié)點(diǎn)通過BEAM梁單元與減振器作用點(diǎn)，即圖4中A點(diǎn)位置進(jìn)行連接。在A點(diǎn)施加減振器最大阻尼力12000N，設(shè)定求解為線性靜態(tài)求解，使用自帶求解器BulkData進(jìn)行求解，獲得A點(diǎn)沿力方向的最大位移為0.4156mm，最大vonMises應(yīng)力為146.2Mpa。

5.4Topo優(yōu)化

該減振器支架材料為ZG310-570，屈服強(qiáng)度為310Mpa，抗拉強(qiáng)度為570Mpa。原始模型在最大減振器阻尼力下，A點(diǎn)位移為0.4156mm，支架最大vonMises應(yīng)力為146.2Mpa，因此確定本次的優(yōu)化目標(biāo)為：A點(diǎn)Z向位移值最大為0.8mm，支架的體積分?jǐn)?shù)最小。三個(gè)螺栓孔處的網(wǎng)格為非設(shè)計(jì)空間，其他網(wǎng)格為設(shè)計(jì)空間，在設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋找最優(yōu)的材料分布。在線性靜態(tài)分析基礎(chǔ)上，設(shè)定優(yōu)化空間、優(yōu)化響應(yīng)、優(yōu)化約束和優(yōu)化目標(biāo)，提交Optistruct進(jìn)行求解。經(jīng)過14步迭代，目標(biāo)函數(shù)收斂，獲得最優(yōu)結(jié)果。

圖8　目標(biāo)函數(shù)迭代收斂圖

使用Hyperview對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，圖中，紅色的部分為密度為1，為必須保留的材料，藍(lán)色的部分密度為0，是必須去除的材料，處于中間顏色的部分密度為0~1之間，是可選材料。圖中顯示為保留0.16密度以上的材料。使用Hypermesh自帶的OSSmooth將分析結(jié)果輸出為STP格式。

圖9　單元密度等值面云圖

5.5模型重建

圖10　優(yōu)化后的減振器下支架

在CATIA中，打開STP文件，根據(jù)文件中圖形，重新建立模型。在擬合結(jié)果圖形時(shí)，必須考慮工藝的可操作性，以最簡單的模型來代替結(jié)果圖形。最后將重建后的模型與工字梁（以長方體代替）通過兩個(gè)M16的螺栓組裝在一起。

5.6優(yōu)化后支架的FEA分析

圖11　拓?fù)鋬?yōu)化后的支架有限元模型

圖12　拓?fù)鋬?yōu)化后的支架vonMises應(yīng)力云圖

將重建后的模型總成導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行前處理。其中螺栓和工字梁使用Hexa8網(wǎng)格進(jìn)行離散，減振器支架模型比較復(fù)雜，劃分為Hexa8單元難度大，耗時(shí)長，此處采用Tetra4單元進(jìn)行離散。螺栓與工字梁通過螺紋相連，本次分析目的是獲取減振器支架處的應(yīng)力，因此，將螺紋部分與工字梁安裝孔處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，螺栓頭部與減振器下支架安裝面通過Frezing接觸，支架下端安裝面與車橋通過Slide接觸，靜摩擦系數(shù)為0.7，螺栓桿部預(yù)緊力為60000N。建立兩個(gè)載荷步，第一個(gè)載荷步為螺栓預(yù)緊分析，第二個(gè)載荷步為減振器最大阻尼力施加分析，提交BulkData進(jìn)行求解。

通過上圖得知，在最大減振器阻尼力作用下，優(yōu)化后的支架最大vonMises應(yīng)力為239.4Mpa，小于材料的屈服強(qiáng)度，且支架應(yīng)力分布均勻，藍(lán)色低應(yīng)力面積較小，說明支架強(qiáng)度滿足使用，且材料利用率較高，滿足輕量化設(shè)計(jì)原則。支架隨整車進(jìn)行12000KM的強(qiáng)化路可靠性試驗(yàn),也體現(xiàn)了良好的可靠性；目前已在市場(chǎng)上驗(yàn)證一年,未發(fā)生任何故障。

6、總結(jié)

本文借助于Catia和Hyperworks軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)的邊界約束，設(shè)計(jì)出了滿足可靠性和輕量化設(shè)計(jì)的減振器下支架。相對(duì)于常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，該方法具有高效、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，更好的滿足商用車整車開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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[3]AltairEngineering.Hyperworks12.0 Help.

The Application of HyperWorks in The Design of Truck Bracket

Gao Song, Li Haibo, Dong Jinguo, Shao Gang
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Heifei 230601 )

Abstract:The topic finishes the new design of a truck damper bracket by CAITA and HyperWorks software.In the process, the method of SIMP is used to obtain the optimal 3D model. Then the method of NLSTAT and bolt-pretension is used to obtain the accurate stress of the new design.The result shows that the methods can fit the optimal design of truck brackets.

Keywords:FEA; topologyoptimization; pretensionedbolt analysis

中圖分類號(hào)：U463.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-18-04

作者簡介：高松，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。