王友華 靖娟

摘 要：汽車(chē)駐車(chē)?yán)髦Ъ茉O(shè)計(jì)的合理性直接影響著零部件的正常功能使用，而其支架的模態(tài)及強(qiáng)度性能是否滿足要求又起到了關(guān)鍵性作用。文章通過(guò)數(shù)值模擬分析方法，對(duì)駐車(chē)?yán)髦Ъ苓M(jìn)行模態(tài)及強(qiáng)度仿真分析，結(jié)合應(yīng)力最大的薄弱區(qū)域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)優(yōu)化方案重新進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果滿足零件設(shè)計(jì)性能要求，有效地指導(dǎo)了工程方案的改進(jìn)設(shè)計(jì)，為相關(guān)車(chē)型支架設(shè)計(jì)及仿真分析提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;支架;強(qiáng)度;優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-81-03

1 前言

在日常汽車(chē)使用過(guò)程中，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是除了行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)外的另一個(gè)重要的制動(dòng)系統(tǒng)^[1]。同時(shí)，汽車(chē)在上坡或下坡道路上的停放狀態(tài)也是衡量駐車(chē)制動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。駐車(chē)制動(dòng)使后輪產(chǎn)生制動(dòng)力矩，迫使路面對(duì)后輪產(chǎn)生制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛制動(dòng)^[2]。不論車(chē)輛在平直路面還是在斜坡路面，都經(jīng)常使用駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的靜止，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的拉索支架設(shè)計(jì)的好壞，將直接影響駐車(chē)功能的使用，因此對(duì)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的拉索支架性能的研究與分析具有重要意義。

隨著軟硬件的不斷發(fā)展和完善，有限元數(shù)值仿真分析幾乎應(yīng)用到所有的科學(xué)領(lǐng)域，成為一種實(shí)用高效的數(shù)值分析方法^[3]。本文通過(guò)有限元軟件，運(yùn)用數(shù)值模擬仿真分析方法，結(jié)合駐車(chē)?yán)髦Ъ艿淖畲髴?yīng)力風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域提出優(yōu)化改進(jìn)方案，并對(duì)支架的不同方案進(jìn)行模態(tài)與強(qiáng)度仿真分析，從而提高拉索支架的可靠性。

2 模型的建立

2.1 CAD模型的建立

大型CATIA軟件是行業(yè)通用且具有強(qiáng)大的零部件設(shè)計(jì)功能模塊，本文通過(guò)CATIA三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)駐車(chē)?yán)髦Ъ苓M(jìn)行設(shè)計(jì)建模工作，在滿足裝配及布置邊界的情況下，對(duì)拉索支架進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，其CAD模型如圖1所示，其通過(guò)兩個(gè)直徑為Ф8mm的孔安裝于車(chē)身中央通道的位置區(qū)域，駐車(chē)?yán)z穿過(guò)圓柱形內(nèi)孔進(jìn)行裝配。支架所使用的材料參數(shù)：彈性模量為7.0E4MPa，泊松比為0.3，密度為2.7e-9 T/mm。

2.2 有限元模型的建立

由于HyperMesh是一款行業(yè)通用的有限元前處理軟件，能方便地對(duì)模型進(jìn)行清理并快速創(chuàng)建網(wǎng)格模型，極大地提高了有限元仿真分析中的網(wǎng)格前處理效率^[4]，本文使用HyperMesh軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用1mm網(wǎng)格尺寸及三角形單元對(duì)外表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將所有三角形面網(wǎng)格形成封閉腔，然后采用四面體單元進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，最終總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為10422，單元數(shù)為41030。網(wǎng)格模型如圖2所示。

在完成網(wǎng)格劃分后，需對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，并將材料參數(shù)賦予支架網(wǎng)格單元所在的 Component，因此需要建立單元屬性，設(shè)定相應(yīng)的材料參數(shù)，包括楊氏模量、泊松比、密度。

對(duì)于安裝在車(chē)身上的支架需考慮支架是否會(huì)產(chǎn)生共振，需對(duì)支架模態(tài)進(jìn)行仿真分析。因此在建立模態(tài)分析模型時(shí)，約束駐車(chē)?yán)髦Ъ艿膬蓚€(gè)安裝孔的6個(gè)方向的自由度，分析方法選擇NASTRAN軟件中的SOL 103模態(tài)分析。

對(duì)于支架的強(qiáng)度仿真分析，同樣需對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的約束及載荷的施加。約束拉索支架兩個(gè)固定安裝點(diǎn)的所有自由度DOF 1～6，同時(shí)用RBE2剛性單元連接拉索安裝孔的節(jié)點(diǎn)，并在此RBE2單元的中心點(diǎn)施加載荷，施加的載荷大小為850N，并設(shè)置模型計(jì)算結(jié)果的輸出類(lèi)型如Stress應(yīng)力結(jié)果，將模型導(dǎo)出.bdf文件，提交到NASTRAN軟件求解器進(jìn)行求解計(jì)算。

3 仿真結(jié)果分析

由于Altair HyperWorks軟件平臺(tái)中有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行后處理的HyperView軟件模塊，其具有強(qiáng)度的后處理功能，不僅能輸出各種結(jié)果云圖，還能輸出不同的結(jié)果曲線，本文支架的分析將運(yùn)用HyperView模塊進(jìn)行分析結(jié)果的后處理工作。將搭建好的CAE有限元模型導(dǎo)出后輟為.bdf的格式文件，并將此.bdf文件提交Nastran進(jìn)行計(jì)算，求解器計(jì)算完成后會(huì)輸出后輟為.op2文件。使用HyperView后處理軟件讀取.op2文件，查看各分析工況下的分析結(jié)果。

3.1 模態(tài)分析結(jié)果

將模態(tài)分析結(jié)果文件導(dǎo)入HyperView后，查看模態(tài)振型及頻率，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出模態(tài)的振型為基于安裝平面向下的擺動(dòng)，模態(tài)頻率為2513Hz。從模態(tài)頻率值可知，此支架結(jié)構(gòu)剛度較大，模態(tài)頻率較高，不會(huì)與安裝連接的車(chē)身產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3.2 強(qiáng)度分析結(jié)果

將強(qiáng)度結(jié)果文件導(dǎo)入到HyperView中讀取支架的應(yīng)力分析結(jié)果，如圖4所示，從圖中可以看出：駐車(chē)?yán)髦Ъ茏畲髴?yīng)力為109.7MPa，位于支架安裝平面與凸臺(tái)圓角處?；诶髦Ъ鼙旧聿牧咸匦约皩?shí)際經(jīng)常使用駐車(chē)功能，拉索支架最大應(yīng)力應(yīng)小于100MPa，計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力大于此值，不滿足要求，需對(duì)拉索支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)，尋求最優(yōu)方案，以便滿足設(shè)計(jì)要求。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化與仿真分析

通過(guò)上述有限元仿真分析，對(duì)駐車(chē)?yán)髦Ъ軓?qiáng)度結(jié)果最大應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)位置進(jìn)行分析，需對(duì)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要優(yōu)化位置為支架的凸臺(tái)特征及安裝面與拉索圓柱連接區(qū)域。優(yōu)化后的支架新方案CAD數(shù)據(jù)如圖5所示。對(duì)其重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并更新分析模型邊界與載荷鏈接，將優(yōu)化方案的CAE有限元模型提交計(jì)算，重新對(duì)模態(tài)及強(qiáng)度性能進(jìn)行仿真分析。

讀取NASTRAN計(jì)算得到的優(yōu)化方案的模態(tài)分析結(jié)果文件，模態(tài)結(jié)果如圖6所示，可以看出支架的模態(tài)振型為基于安裝平面向上的擺動(dòng)，模態(tài)頻率為4105Hz。從頻率數(shù)值可以看出此支架結(jié)構(gòu)剛度較大，模態(tài)頻率較高，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

將強(qiáng)度分析的結(jié)果文件導(dǎo)入后處理軟件查看駐車(chē)?yán)髦Ъ軆?yōu)化方案的強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果，如圖7所示，從結(jié)果可以看出：拉索支架的最大應(yīng)力為81.4MPa，位于支架安裝平面圓角與凸臺(tái)圓角相交區(qū)域，滿足小于100 MPa的要求，此方案滿足強(qiáng)度性能要求。

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)數(shù)值模擬分析方法，對(duì)駐車(chē)?yán)髦Ъ艿哪B(tài)及強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，很好地識(shí)別了零件風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)拉索支架提出了改進(jìn)優(yōu)化方案。對(duì)優(yōu)化方案重新進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其應(yīng)力水平相對(duì)于原方案有較大幅度降低，滿足了支架的強(qiáng)度性能要求。同時(shí)從支架的模態(tài)分析的頻率結(jié)果可知，此支架的結(jié)構(gòu)剛度較大，模態(tài)頻率較高，不會(huì)與安裝連接的車(chē)身產(chǎn)生共振。通過(guò)對(duì)駐車(chē)?yán)髦Ъ艿哪B(tài)及強(qiáng)度分析與優(yōu)化，有效支持了支架零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工程方案最終凍結(jié)提供了重要依據(jù)和指導(dǎo)作用。

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