王蘭,劉文路,齊淼,黨龍,申建乎,劉親親
(陜西萬方汽車零部件有限公司,陜西 西安 710200)
汽車零部件作為整車的基礎部件,研究零部件的輕量化對整車輕量化有著重大意義。結構拓撲優(yōu)化設計已成為輕量化技術中除新材料、新工藝應用之外的有效途徑。文中根據(jù)設計空間和工藝要求對零件進行拓撲,優(yōu)化結構材料分布,從而提高零件綜合性能,同時達到輕量化目的。
上車踏步支架主要起到固定上車踏板的作用,對駕駛員在上下車過程中的安全性有重要作用。圖1中支架總成由一塊U型彎板、四個加強筋與彎管焊接而成,通過螺栓與踏板連接固定在大梁車架上。其加工焊縫多而復雜,成品效率低。通過拓撲優(yōu)化保證產(chǎn)品性能同時去掉四塊加強筋,改善外觀,減少加工工序,優(yōu)化材料分布降低重量。
圖1 支架連接關系
利用前處理軟件HyperMesh對踏步支架總成建立有限元模型,考慮到網(wǎng)格質量及計算時間,對模型進行簡化處理,去除對計算結果影響不大的零件進行配重,簡化不必要的小孔和倒角。
提取踏步支架系統(tǒng),在HyperMesh中進行網(wǎng)格劃分,其零件三維模型(L/t>20)用殼網(wǎng)格,小件彎板與鑄件用一階四面體網(wǎng)格劃分。有限元模型共有86119個節(jié)點,236828個網(wǎng)格。應力是靜態(tài)分析中的二次結果,在切口及其他形狀的拐點處,點載荷和邊界條件施加位置,剛性單元位置的應力通常是奇異的,應力沒有參考意義,故在約束端固定支座四個螺栓孔處建立一圈washer處理應力奇異現(xiàn)象。有限元模型如圖2所示。
圖2 有限元模型
表1 材料參數(shù)
在駕駛室員上下車的時候上車踏步系統(tǒng)受力較大,支架會受到順間沖擊力從而產(chǎn)生變形受力。駕駛員體重按 75kg/人計算。
表2 工況列表
邊界條件如圖2所示,與車架連接螺栓孔約束6個方向的自由度。應用 OptiStruct對有限元模型進行線性靜應力分析。利用Radioss對模型進行模態(tài)分析。
圖3 踏步支架小總成應力
圖4 U型彎板應力
表3 零件安全因子
兩種工況分析,各零件的安全因子均大于 1。但從結構應力云圖看,應力分布集中在加強筋與U型彎板焊接外端,應力相對集中,材料性能沒有得到最大化應用??紤]到安全因子數(shù)值較低,且焊接工序和焊縫較多,加工效率低。對其進行結構改進優(yōu)化。
優(yōu)化材料分布,去掉加強筋,提高材料利用率,提高安全系數(shù),使其成為整體式鈑金件。
拓撲優(yōu)化的材料模式采用密度法(SIMP),將有限元模型設計空間的每個單元的“單元密度”作為設計變量。優(yōu)化后單元密度靠近1的材料需要保留,單元密度靠近0的可以去除,從而達到材料的高效利用,實現(xiàn)輕量化設計。本次分析中設置以單元密度為函數(shù)變量(定義最小成員尺寸得到均勻的材料分布),以零件的加權應變能最?。▌偠茸畲蠡槟繕撕瘮?shù),以各工況下零件的最大應力不超過235MP,零件體積分數(shù)不超過40%為約束條件,同時采用加權方法處理兩種工況,建立帶約束的單目標拓撲優(yōu)化數(shù)學模型。
X表示設計變量--單元密度。comp(x)表示零件加權應變能--剛度,Volfrac(x)表示零件體積分數(shù),σmax表示零件在各工況下最大應力。40%為工作經(jīng)驗值,根據(jù)具體零件及分析條件可以自己設定,235MPa為目標零件材料屈服極限除以安全因子1.5而給定,屬于經(jīng)驗值。
為了保證現(xiàn)有裝配關系及周邊零部件的布置,在原模型為基礎上將加強筋的空間填滿材料進行拓撲優(yōu)化。
圖5 拓撲優(yōu)化基礎結構
圖6 拓撲優(yōu)化結構
在OptiStruct求解器中進行多次迭代運算后得到圖6所示的拓撲結果。結合零件為鈑金,不可能加工成鑄件,故結合拓撲結果對其進行大面壓筋結構處理。得到圖7所示的結構。板件拉延壓筋,需計算材料的延伸率,本次分析拉延延伸率在37%范圍內滿足510L材料延伸率。
圖7 優(yōu)化后結構
圖8 優(yōu)化后結構應力圖
通過上述分析,優(yōu)化前后兩種結構加載相同的工況進行靜載線性計算,輕量化后的結構在兩種工況下最小安全因子由原來的1.18提升到1.8。焊縫數(shù)量減少8條,零件數(shù)量減少4個,零件降重約13%。實現(xiàn)了輕量化設計,優(yōu)化了零件的結構組成和焊接工藝。
表4 優(yōu)化前后綜合參數(shù)對比表
本文利用三維工程軟件 CATIA、有限元分析軟件HyperWorks對上車踏步支架進行了拓撲優(yōu)化改進分析,優(yōu)化材料分布提高了安全因子實現(xiàn)輕量化目標。同時減少了焊接工序,提高加工效率。使得綜合性能提高。對輕量化的設計具有一定的指導意義。