毛敬競，吉偉鵬，龔運(yùn)息

(廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545000)

0 引 言

面對汽車市場的激烈競爭，“降本增效”成為眾多汽車制造企業(yè)的競爭手段。其采取的主要措施之一是不斷優(yōu)化改進(jìn)產(chǎn)品零/部件的結(jié)構(gòu)，減輕零/部件重量，降低材料消耗。同時(shí)，改善零/部件的受力狀況，以確保不會影響產(chǎn)品功能和質(zhì)量的要求。

為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化改進(jìn)產(chǎn)品零/部件的結(jié)構(gòu)，減輕零/部件重量，改善零/部件的受力狀況，目前幾乎所有的汽車制造商都采用三維軟件進(jìn)行汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)，汽車零件的形狀、尺寸和裝配關(guān)系也都采用三維數(shù)學(xué)模型來表達(dá)。自從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)入汽車設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域以來，不但縮短了設(shè)計(jì)周期，而且能夠保證設(shè)計(jì)精度，降低設(shè)計(jì)開發(fā)的成本。在此研究的MR外后視鏡系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是通過對某車型MR外后視鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足使用要求的前提下盡量輕量化，以達(dá)到減輕零件重量，降低生產(chǎn)成本的目的，同時(shí)改善零/部件的受力狀況。

1 設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)

某車型MR外后視鏡安裝結(jié)構(gòu)組成，主要包括上支座1、后視鏡支架2、下支座3和車門4。其原有結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)對象是后視鏡支架、上支座和下支座零件，車門保持不變。利用UG軟件，在保證其原有結(jié)構(gòu)性能不變的條件下，重新對其主要零件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)[1-3]。

圖1 原外后視鏡安裝結(jié)構(gòu)1.上支座 2.后視鏡支架 3.下支座 4.車門

1.1 上支座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4-5]

上支座的外形及結(jié)構(gòu)改進(jìn)：改進(jìn)設(shè)計(jì)的上支座，既要保證有足夠的強(qiáng)度，還要保證比原來的重量輕，以達(dá)到降低成本的目的。以原有上支座零件為基礎(chǔ)，對原來的零件進(jìn)行簡化。即去除圓角、圓孔和其他一些細(xì)節(jié)特征，保留原有的安裝孔。經(jīng)過簡化后的上支座零件再裁剪掉多余的部分，然后增加安裝后視鏡支架的部分，之后再根據(jù)車門外形并考慮與車門的安裝配合，適當(dāng)修改部分曲面，再合并各個(gè)部分，最后進(jìn)行倒圓角和細(xì)節(jié)上的處理。完成外形設(shè)計(jì)后還要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以參考原來零件的結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)合理的部分可以直接引用。運(yùn)用UG中“補(bǔ)片”這一工具將原來零件結(jié)構(gòu)合理的部分直接引用到新零件的結(jié)構(gòu)當(dāng)中去。其他部分按照盡量減少重量的原則，并充分考慮工藝方面的要求，完成零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此時(shí)對所設(shè)計(jì)的零件的重量進(jìn)行初步測量，上支座重量比原來的零件降低105 g 。得到的零件如圖2所示。

圖2 進(jìn)行外形及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的上支座

1.2 下支座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1) 下支座的位置改進(jìn)：鏡桿端部的結(jié)構(gòu)借用原有結(jié)構(gòu)，鏡子的位置不變，桿徑不變，重新確定上支座和下支座與車門的安裝位置。經(jīng)調(diào)整，上支座和下支座的位置確定如下：充分考慮后視鏡支架鏡桿端部與鏡桿的相對位置并保持合理的外形，上支座調(diào)整到與車門保持適當(dāng)?shù)木嚯x。為保證鏡桿上下端部同軸,下支座安裝軸須向車門外擺動2.65°，如圖3所示。

圖3 下支座改進(jìn)位置

(2) 下支座的外形及結(jié)構(gòu)改進(jìn)：在調(diào)整上支座和下支座的位置時(shí)候，安裝軸向車門外擺動了2.65°，所以只要將下支座安裝軸需向車門外轉(zhuǎn)動2.65°，如圖4(a)所示, 圖4(b)為隱去裝飾蓋后的下支座結(jié)構(gòu)。

圖4 優(yōu)化后下支座

1.3 后視鏡支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]

因?yàn)殓R子的位置不能改變，桿徑不變，鏡桿端部的結(jié)構(gòu)借用原有結(jié)構(gòu)，并且上支座和下支座的位置已經(jīng)確定，所以只要作出支架的中心線，按照原支架內(nèi)外徑尺寸，用UG中的“管道”這一工具即可完成后視鏡支架的設(shè)計(jì)，如圖5所示。圖6所示為外后視鏡機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后外觀與結(jié)構(gòu)對比。

圖5 改進(jìn)后后視鏡支架 圖6 外后視鏡機(jī)構(gòu)改進(jìn)前 后外觀與結(jié)構(gòu)對比

2 基于UG的結(jié)構(gòu)分析

在UG中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析有兩個(gè)主要的模塊：UG / Scenario for Structures 和UG /Scenario for ANSYS。UG / Scenario for Structures科學(xué)地將有限元分析工具整合在一起，通過使用MSC進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，可以使用Structures P.E，NASTRAN和ANSYS解算器進(jìn)行求解。UG / Scenario for ANSYS 是通過ANSYS格式進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，使用ANSYS 解算器進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算[7-8]。

對外后視鏡機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，只對需要分析的零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料、屬性，并在鏡桿上施加-Z向1 000 N的力，約束上、下支座的安裝孔，使用Structures P.E求解器求解，得到改進(jìn)前后各零件的應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖7 改進(jìn)前后各零件應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化結(jié)果對比及分析

完成全部零件的設(shè)計(jì)后，測量每個(gè)零件的重量和應(yīng)力，并與更改前的零件作比較，如表1、表2所示。

表1 優(yōu)化前后各零件重量對比

表2 優(yōu)化前后各零件應(yīng)力對比

結(jié)果表明，通過優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，裝飾蓋保持不變，通過優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)后，后視鏡支架的重量，以及上、下支座的重量都有較大的下降，降低成本的目的。由應(yīng)力云圖可知，修改后的上支座、下支座和后視鏡支架所受應(yīng)力比原來小，強(qiáng)度得到改善。

4 結(jié) 語

本文通過使用UG軟件對某型MR汽車外后視鏡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方案不但降低了材料成本，而且使得該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到改善，滿足了產(chǎn)品輕量化的要求。作為大批量生產(chǎn)的汽車零部件，通過合理地減小其自身質(zhì)量，可以節(jié)約大量的制造材料，降低生產(chǎn)成本，將對企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。