茍丹，溫鵬，朱曉康，王謙，李林，徐信萬(wàn)

（陜西萬(wàn)方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著汽車工業(yè)快速發(fā)展，繼而出現(xiàn)交通堵塞、環(huán)境污染等相關(guān)問(wèn)題，政府為加強(qiáng)汽車管理，最新出臺(tái)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能減排已成為現(xiàn)代汽車的主要研究及發(fā)展方向，而車輛的輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。

本文以某重型卡車踏步支架總成為對(duì)象，針對(duì)原產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并用高強(qiáng)度鋼替代普通材料，利用有限元分析軟件Hyperworks 對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了多工況分析；在保證裝車強(qiáng)度及裝配要求的前提下，實(shí)現(xiàn)汽車零部件設(shè)計(jì)輕量化。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型

上車踏步支架是連接車架與上車踏板的關(guān)鍵部件，直接影響駕駛員上下車過(guò)程中的安全性。圖1 為某重型卡車踏步支架裝配關(guān)系圖，圖2 為該上車踏步支架總成與托架總成裝配關(guān)系，其鑄件端通過(guò)螺栓連接固定在車架大梁上，沖壓件端則與上車托架連接，起到固定上車踏板的作用。

踏步支架由固定座、右支架、連接板、固定板組成，托架總成由過(guò)渡板、右彎管、右下托架組成，踏步支架總成與托架總成通過(guò)螺栓裝配連接。

1.2 有限元模型的建立

將踏步支架三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh 軟件中用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。

圖1 上車踏步支架總成裝配關(guān)系

圖2 踏步支架總成與托架總成裝配關(guān)系

圖3 有限元模型對(duì)比圖

1.3 零件材料及技術(shù)參數(shù)

表1 中Q235B、Q235A 和510L 材料物理特性對(duì)比：

表1 零件牌號(hào)及技術(shù)參數(shù)

3 種材料的彈性模量及泊松比相近，即抵抗彈性變形能力相同，而510L 的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于Q235B、Q235A，證明了采用高強(qiáng)度鋼材料510L 代替原結(jié)構(gòu)材料Q235B、Q235A 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。

2 有限元分析

2.1 分析工況與加載

約束與車架連接的固定座四個(gè)螺栓孔的6 個(gè)自由度，分別從極限工況和上車工況下進(jìn)行有限元分析。

載荷條件：極限工況，踏板踩踏位置施加負(fù)Z 向力2050N，Y 向1140N；上車工況，踏板踩踏位置YZ 平面內(nèi)，與Z 軸夾角18°方向施加負(fù)1500N。

在Hypermesh 軟件中按上述工況添加各向計(jì)算載荷，加載示意如圖4 所示。

圖4 加載后有限元模型

2.2 有限元求解分析

利用OptiStruct 求解器進(jìn)行有限元求解，得到踏步支架的位移和應(yīng)力云圖，如表2 所示。

表2 踏步支架位移、應(yīng)力云圖

在極限工況條件下，優(yōu)化后方案總體位移減小1.11mm，目標(biāo)件位移減小0.08mm，最大應(yīng)力值由387.3MPa 減少為238.4 Mpa。

在上車工況條件下，優(yōu)化后方案總體位移減小0.68mm，目標(biāo)件位移減小0.05mm，最大應(yīng)力值由228.2MPa 減少為140.7Mpa。

經(jīng)各設(shè)計(jì)工況、載荷下有限元分析，可以得知：各工況下優(yōu)化后的踏步支架最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

2.3 有限元分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力值、安全系數(shù)、質(zhì)量變化對(duì)比見(jiàn)表3。 分析結(jié)論：

（1）優(yōu)化后固定板在極限工況下應(yīng)力值降低了148.9 MPa，最小安全系數(shù)由原來(lái)的0.61 增加至1.49。

（2）優(yōu)化后固定板在上車工況下應(yīng)力值降低了87.5 MPa，最小安全系數(shù)由原來(lái)的1.03 增加至2.52。

（3）優(yōu)化后新沖壓件可替代原來(lái)兩個(gè)沖壓件焊接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品降種類。

（4）優(yōu)化后結(jié)構(gòu)降重0.34 kg，降重率達(dá)13.88%。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立某重卡車型踏步支架總成的有限元模型，借助Hyperworks 進(jìn)行了多工況靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，減少了沖壓件產(chǎn)品種類，在結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)降重13.88%，達(dá)到了零部件輕量化設(shè)計(jì)目的。