周 渝，胡頌韓，范 亙，張 電Zhou Yu，Hu Songhan，F(xiàn)an Gen，Zhang Dian

基于拓?fù)鋬?yōu)化的轉(zhuǎn)向節(jié)臂輕量化設(shè)計(jì)

周 渝，胡頌韓，范 亙，張 電
Zhou Yu，Hu Songhan，F(xiàn)an Gen，Zhang Dian

（北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101301）

通過Hypermesh、ABAQUS/CAE及拓?fù)鋬?yōu)化模塊建立某汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂拓?fù)鋬?yōu)化模型，得到模型減重優(yōu)化方向，并通過優(yōu)化前、優(yōu)化后等方案對比分析，得出滿足使用要求的方案，有效指導(dǎo)并應(yīng)用于后續(xù)輕量化設(shè)計(jì)工作。

Hypermesh；ABAQUS；轉(zhuǎn)向節(jié)臂；應(yīng)力；有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化

參考整車硬點(diǎn)、周邊布置需求、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等完成了某汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂方案設(shè)計(jì)，但出現(xiàn)了材料利用率不高、重量偏重、成型困難等問題，通過設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅周期較長、效率較低、工作重復(fù)，而且難達(dá)到預(yù)期的輕量化目標(biāo)。通過采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)臂設(shè)計(jì)，可以根據(jù)指定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)自動采用材料利用效率高的結(jié)構(gòu)基本特征，指導(dǎo)完成后續(xù)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]15。

1 拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型建立

1.1 優(yōu)化前模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)配接尺寸及周邊布置要求建立一個具有較大優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域的模型（優(yōu)化前模型，重量11.042 kg），并采用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格，單元類型為C3D4，網(wǎng)格大小為 6 mm，如圖1所示。在優(yōu)化過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿球銷連接部位均為不可改變的非設(shè)計(jì)區(qū)域，中間部位為設(shè)計(jì)區(qū)域。

圖1 優(yōu)化前網(wǎng)格劃分模型

1.2 邊界及加載

轉(zhuǎn)向拉桿球銷傳遞的力通過球銷硬點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷錐面建立剛性連接單元（rigid）進(jìn)行加載，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)固定位置通過安裝面、螺栓孔建立約束模擬相應(yīng)載荷。

1.3 載荷工況選取

進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之前，需要考慮得到哪方面性能最優(yōu)情況的材料分布結(jié)果[1]20。轉(zhuǎn)向節(jié)臂在典型工況中，轉(zhuǎn)向拉桿球銷硬點(diǎn)承受側(cè)向（向）載荷較大，縱向（向）、垂向（向）載荷相對較小，將各工況中各向最大載荷同時作用于該模型，見表1。

表1 轉(zhuǎn)向側(cè)拉桿球銷硬點(diǎn)加載載荷

1.4 材料屬性

轉(zhuǎn)向節(jié)臂采用合金鋼材料40Cr，其彈性模量為210 000 MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為785 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa。

1.5 優(yōu)化前有限元模型分析

將有限元模型（inp文件）導(dǎo)入ABAQUS/CAE中進(jìn)行強(qiáng)度分析。優(yōu)化前轉(zhuǎn)向節(jié)臂的最大應(yīng)力為261.7 MPa，最大位移為0.6 mm，位于轉(zhuǎn)向拉桿球銷球心，如圖2、圖3所示。

圖2 優(yōu)化前模型應(yīng)力分布圖

圖3 優(yōu)化前模型位移分布圖

1.6 拓?fù)鋬?yōu)化模型建立

拓?fù)鋬?yōu)化指分析過程中不斷修改模型中設(shè)計(jì)區(qū)域的單元材料性質(zhì)，有效地從分析模型中移走/增加單元而獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用ABAQUS/ CAE及拓?fù)鋬?yōu)化模塊對完成分析的優(yōu)化前有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置，建立拓?fù)鋬?yōu)化模型。具體過程為：（1）創(chuàng)建優(yōu)化任務(wù)；（2）創(chuàng)建應(yīng)變能的設(shè)計(jì)響應(yīng)；（3）創(chuàng)建最小應(yīng)變能目標(biāo)函數(shù)和60%體積優(yōu)化目標(biāo)（設(shè)計(jì)區(qū)域減重約3kg）約束函數(shù)，其中，最小化應(yīng)變能即為最大化全局剛度，在模型初始計(jì)算強(qiáng)度結(jié)果條件下，剛度基本保持不變；（4）創(chuàng)建優(yōu)化進(jìn)程，提交分析。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

經(jīng)19次迭代優(yōu)化后，設(shè)計(jì)區(qū)域達(dá)到體積約束要求，即停止計(jì)算。圖4、圖5為第5次、第19次迭代優(yōu)化后的設(shè)計(jì)區(qū)域網(wǎng)格情況及應(yīng)力情況，可以看出，通過嘗試從轉(zhuǎn)向節(jié)臂下部不斷去除設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)部材料，設(shè)計(jì)區(qū)域應(yīng)力分布圖基本一致，滿足約束目標(biāo)要求。

圖4 第5次迭代優(yōu)化后設(shè)計(jì)區(qū)域網(wǎng)格及應(yīng)力分布圖

圖5 第19次迭代優(yōu)化后設(shè)計(jì)區(qū)域網(wǎng)格及應(yīng)力分布圖

圖6、圖7為優(yōu)化模型第19次迭代后所有區(qū)域應(yīng)力、位移分布圖。最大應(yīng)力為312.5 MPa，最大位移為0.951 mm，位于轉(zhuǎn)向拉桿球銷球心。

對拓?fù)鋬?yōu)化過程的設(shè)計(jì)響應(yīng)及目標(biāo)約束函數(shù)進(jìn)行分析整理，如圖8所示，可以看出，優(yōu)化模型在一次迭代后即可計(jì)算出優(yōu)化方向，后續(xù)體積變化成線性分布趨勢。優(yōu)化模型在目標(biāo)約束函數(shù)達(dá)到60%時，即停止計(jì)算。設(shè)計(jì)區(qū)域原重量為7.631 kg，減重40%后為4.578 6 kg，加入非設(shè)計(jì)區(qū)域重量，總重量為7.99 kg。

圖6 第19次迭代優(yōu)化后應(yīng)力分布圖

圖7 第19次迭代優(yōu)化后位移分布圖

圖8 優(yōu)化過程約束目標(biāo)（體積比）變化曲線圖

3 轉(zhuǎn)向節(jié)臂模型調(diào)整

拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果不能直接用于實(shí)際模型，還需要根據(jù)實(shí)際工程要求，如工藝條件等進(jìn)行進(jìn)一步的工程化處理。參考優(yōu)化后網(wǎng)格結(jié)果及截面結(jié)果，如圖9、圖10所示，對優(yōu)化后網(wǎng)格進(jìn)行對比測量，確認(rèn)設(shè)計(jì)區(qū)域各方向壁厚參考數(shù)值，見表2，以便下一步模型更改。

圖9 優(yōu)化后設(shè)計(jì)區(qū)域網(wǎng)格結(jié)果

圖10 優(yōu)化后設(shè)計(jì)區(qū)域截面

表2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂設(shè)計(jì)區(qū)域壁厚參考值

對優(yōu)化前模型進(jìn)行重新建模，參考表2并考慮到最大應(yīng)力值位置變化情況，取各向均勻壁厚20 mm，保持外部邊界不變，將模型下部及內(nèi)部多余材料去除并進(jìn)行圓角優(yōu)化，如圖11、圖12所示，更改后重量為8.47 kg。

圖11 調(diào)整后模型（上下拔模）底部特征

圖12 調(diào)整后模型（上下拔模）側(cè)面特征

調(diào)整后模型需采用上下拔模形式。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該類型轉(zhuǎn)向節(jié)臂也可采用兩側(cè)去除材料的左右分模形式，如圖13所示，重量為9.164 kg。

圖13 調(diào)整后模型（左右分模）側(cè)面特征

4 轉(zhuǎn)向節(jié)臂優(yōu)化結(jié)果對比

分別對上下拔模模型和左右分模模型進(jìn)行表1載荷下的有限元強(qiáng)度分析，前者的最大應(yīng)力位于頭部錐孔大端，后者的最大應(yīng)力位于轉(zhuǎn)向節(jié)臂后部本體處。具體對比情況見表3。

表3 轉(zhuǎn)向節(jié)臂優(yōu)化結(jié)果對比

通過表3可以看出，上下拔模較左右分模減重效果更為明顯，且最大應(yīng)力、最大位移也更優(yōu)。

5 結(jié) 論

通過對某汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行基于拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)，分析和介紹了轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型的建立方法，得到了基于初始模型的減重方向，并完成減重方案的設(shè)計(jì)與對比分析，可以有效指導(dǎo)并應(yīng)用于后續(xù)類似轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)節(jié)臂的輕量化設(shè)計(jì)工作。

[1] 曾文豪.汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與有限元分析[D].廣州:華南理工工大學(xué)，2018:15-25.

2020-08-24

U463.46

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.008

1002-4581（2020）06-0032-03