劉俊峰等

摘要：汽車制動盤防護罩的結構強度和剛度不足將對汽車行車安全構成隱患。利用HyperWorks軟件建立某汽車制動盤防塵罩的有限元模型并進行模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析結果，以提高制動盤防塵罩的結構固有頻率為優(yōu)化目標，在OptiStruct模塊中對防塵罩外殼進行形貌優(yōu)化，結合沖壓制造工藝，設計加強筋的最佳布置方案，并對優(yōu)化方案進行驗證。結果表明，優(yōu)化后的防塵罩第1階固有頻率提高，優(yōu)化效果明顯，滿足設計要求。最后通過算例對加強筋高度、寬度、起筋角進行參數(shù)化運算，得出加強筋參數(shù)對于薄壁鈑金件結構強度的影響規(guī)律。

關鍵詞：制動盤防塵罩；固有頻率；模態(tài)分析；形貌優(yōu)化

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）01-0029-05

1引言

汽車制動盤防塵罩是汽車制動盤的重要保護部件，防塵罩強度和剛度不足，在遭受石子等異物撞擊后容易發(fā)生彎曲變形，導致防塵罩與制動盤發(fā)生不正常的接觸摩擦，造成制動異常，影響車輛的制動性能，對整車的行車安全造成潛在威脅。

結構優(yōu)化設計以最優(yōu)化數(shù)學理論為基礎，通過計算機和軟件將研究目標的物理模型轉化為數(shù)學模型，在充分考慮設計約束的前提下尋求滿足預定目標的最佳設計。賈維新等通過形貌優(yōu)化和振動噪聲分析對發(fā)動機油底殼進行結構優(yōu)化設計，降低發(fā)動機油底殼的輻射噪聲；侯獻軍等利用模態(tài)分析和形貌優(yōu)化得出消聲器端蓋的加強筋布置方案，提高消聲器的固有頻率；姜衛(wèi)遠以電池中置、輪轂電機獨立驅動的非承載式車身底盤車架為研究對象，采用拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化相結合的方法，對電動汽車底盤開發(fā)方法和流程進行研究；張偉等以某型電動汽車為實例，通過建立白車身拓撲優(yōu)化模型、有限元概念模型、尺寸優(yōu)化模型和樣車，進行從整車拓撲結構到車身梁截面的優(yōu)化設計過程，實現(xiàn)了電動汽車白車身的正向設計；王魯斌通過對某車型汽車ESP支架進行拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化聯(lián)合優(yōu)化分析，有效解決了支架工作應力大和疲勞強度不足的問題；M.S.Adzman等通過對形貌優(yōu)化后的汽車鈑金零件進行數(shù)值模擬和回彈模擬，研究了加強筋位置和尺寸對于幾何回彈的影響，并開發(fā)了一種無彈性的加強筋設計。上述研究主要針對汽車車身及其零部件進行結構優(yōu)化，而對汽車鈑金類零件的形貌優(yōu)化及加強筋參數(shù)影響規(guī)律的研究卻不多。

本文利用Hypermesh建立汽車制動盤防塵罩的有限元模型，通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)防塵罩的整體模態(tài)頻率偏低，不能滿足工作要求；以提高其第一階固有頻率為目標，在Optistruct模塊中用形貌優(yōu)化功能對防塵罩進行結構優(yōu)化設計，提出一種布置加強筋的優(yōu)化方案并進行驗證；最后通過算例分析加強筋參數(shù)對鈑金件結構強度的影響規(guī)律。

2防塵罩的模態(tài)分析

2.1有限元建模

應用Hypermesh對原始汽車制動盤防塵罩進行有限元前處理。去除不必要的倒角圓孔，兩個螺栓處用RBE2單元模擬連接。取基本單元尺寸為2.5mm，設置單元厚度為1.0 mm，單元類型定義為四邊形殼單元。最終單元數(shù)為4276個，節(jié)點數(shù)為4425個。防塵罩有限元模型如圖1，兩個安裝螺栓處的A、B兩點六個自由度全約束。

2.2材料力學參數(shù)

制動盤防塵罩所用材料為ST14冷軋鋼板，具有良好的強度和拉伸延展性能。材料的具體力學參數(shù)如表1所示：

2.3模態(tài)計算結果

應用OptiStruct求解器對有限元模型進行模態(tài)分析，第1、2階模態(tài)振型結果如圖2、圖3所示，防塵罩外圓環(huán)部分結構剛度低，振幅較大，施加約束的螺栓區(qū)域及圓心周邊剛度較高，振幅較小。為避免車輛在行駛時防塵罩的結構固有頻率與路面激勵和發(fā)動機激勵一致或接近而造成共振，設計要求制動盤防塵罩的第1階模態(tài)頻率大于105Hz，而原始方案的第1階模態(tài)頻率僅為43.8Hz，故需對其進行結構形貌優(yōu)化。

3防塵罩的形貌優(yōu)化

3.1形貌優(yōu)化的設計流程

基于防塵罩的模態(tài)分析結果，對防塵罩進行形貌優(yōu)化，以優(yōu)化結果作為參考，結合沖壓加工工藝和成本控制，提出進一步的優(yōu)化方案，并對其進行模態(tài)驗證，從而可以快速的設計出符合設計要求的優(yōu)化模型。形貌優(yōu)化設計流程如圖4所示：

3.2形貌優(yōu)化數(shù)學模型

形貌優(yōu)化的本質是在約束條件下對三維薄殼結構離散處理后所得的節(jié)點進行坐標調整，獲得滿足設計目標的最佳節(jié)點位置，將優(yōu)化后的節(jié)點重構曲面，得到最佳形貌。

形貌優(yōu)化過程中將防塵罩分為非設計區(qū)域和設計區(qū)域兩部分，如圖5所示。為滿足防塵罩的實際安裝條件，避免起筋后與制動盤發(fā)生干涉，選取防塵罩上的部分區(qū)域作為優(yōu)化區(qū)域。優(yōu)化區(qū)域的節(jié)點坐標定義為設計變量，非設計區(qū)域的所有單元節(jié)點在優(yōu)化過程中坐標保持不變。

約束條件主要為起筋參數(shù)的設置。如圖6所示，根據(jù)單元尺寸的大小確定最小起筋寬度為B=5mm，起筋角θ=60°，設置緩沖區(qū)域，并根據(jù)沖壓加工工藝和材料成型特性確定起筋的最大高度為H=4mm。Hypermesh中常見的加強筋布置的模式組合有無約束分布圓肋式（none）、線性分布式（linear）、輻射分布式（radial）、圓周分布式（circual）、平面分布式（planar）。為了便于制造加工，在模式組合選項中選擇圓周分布式加強筋的加工方式約束。

為能盡可能提高防塵罩結構剛度，優(yōu)化目標定義為防塵罩第一階模態(tài)頻率最大化。

該形貌優(yōu)化設計的數(shù)學模型可表述為：