湯曉萌,夏國(guó)鋒，文世紅，付鑫

(東風(fēng)專用零部件有限公司，湖北十堰 442000)

0 引言

車身懸置系統(tǒng)用于連接駕駛室與車架，起到支撐駕駛室、傳遞和衰減由路面經(jīng)輪胎至駕駛室的路面激勵(lì)。該懸置支架作為懸置系統(tǒng)的一部分是重要的承載件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)于駕駛員和乘員的安全來(lái)說至關(guān)重要。當(dāng)車輛在不同的路面上行駛時(shí)，容易受到各種振動(dòng)和沖擊，因此懸置支架應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度以抵抗外界的沖擊和振動(dòng)。故在進(jìn)行懸置支架設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及質(zhì)量是影響其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在《中國(guó)制造2025》中關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中也強(qiáng)調(diào)了“輕量化仍然是重中之重”，“輕量化”已然成為國(guó)家的重要戰(zhàn)略，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和汽車行業(yè)將其研究工作的重點(diǎn)放在汽車輕量化上[1]。近年來(lái)隨著節(jié)能減排理念的提出，輕量化設(shè)計(jì)也成為產(chǎn)品開發(fā)的重要指標(biāo)。通過輕量化設(shè)計(jì)達(dá)到減重和降本的目的，也從一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排保護(hù)了環(huán)境。

1 計(jì)算機(jī)輔助工程

計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)，是指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。CAE技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，理論基礎(chǔ)是有限元理論和數(shù)值計(jì)算方法[2]。

傳統(tǒng)方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，且在設(shè)計(jì)初期為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行試驗(yàn)耗費(fèi)人力、物力和時(shí)間。計(jì)算機(jī)輔助工程利用數(shù)值分析手段，結(jié)合有限元分析方法，能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期較快地進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，同時(shí)節(jié)省了初期試驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間和成本。在產(chǎn)品開發(fā)階段起到顯著的作用，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。文中將計(jì)算機(jī)輔助分析方法用于懸置支架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提升產(chǎn)品開發(fā)效率，降低人力、物力成本。

2 懸置支架強(qiáng)度分析

圖1所示為一款商用車駕駛室懸置支架，該懸置支架上部分與駕駛室前地板相連，后部與駕駛室底板縱梁相連，下部分別與彈簧和翻轉(zhuǎn)臂連接。

圖1 懸置支架三維模型

2.1 建立有限元分析模型

Altair公司開發(fā)的HyperWorks[3]是一款功能強(qiáng)大的仿真分析軟件，也是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級(jí)CAE平臺(tái)，它集成設(shè)計(jì)與分析所需各種工具，具有無(wú)比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。因其具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力、完善的網(wǎng)格修改工具、不錯(cuò)的后處理以及多種求解器接口等優(yōu)勢(shì)[4]，文中運(yùn)用有限元分析軟件HyperWorks對(duì)懸置支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

在三維設(shè)計(jì)軟件中完成懸置支架三維模型設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)的懸置支架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除對(duì)結(jié)果影響較小的倒角、圓角等。接著對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，懸置支架模型采用四面體單元[5]離散，有限元模型的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，有限元模型如圖2所示。

表1 懸置支架有限元模型數(shù)據(jù)表

圖2 懸置支架有限元模型

2.2 材料描述

懸置支架的材料為ZGD410-700，相關(guān)材料參數(shù)見表2。

表2 懸置支架材料參數(shù)

2.3 邊界與載荷

車輛在不同路面行駛過程中，受到來(lái)自路面的激勵(lì)，懸置支架上部與前部連接到駕駛室，下部分與懸置系統(tǒng)內(nèi)部零件搭接。根據(jù)車輛行駛的極限工況，文中提取出懸置支架的兩種極限工況，支架加載情況見表3。模型加載如圖3和圖4所示。

表3 懸置支架工況說明

圖3 懸置支架加載示意圖(工況一)

圖4 懸置支架加載示意圖(工況二)

2.4 仿真計(jì)算

對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得到懸置支架在上述兩種極限工況下的分析結(jié)果如圖5—圖8所示。

圖5 懸置支架位移云圖(工況一)

圖6 懸置支架應(yīng)力云圖(工況一)

圖7 懸置支架位移云圖(工況二)

圖8 懸置支架應(yīng)力云圖(工況二)

分析結(jié)果表明，懸置支架在極限工況一下的最大位移為0.37 mm，最大應(yīng)力為325.2 MPa。在極限工況二下的最大位移為0.08 mm，最大應(yīng)力為229.8 MPa。結(jié)構(gòu)在給定極限工況下滿足強(qiáng)度要求，且有富余，可以進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)

3.1 輕量化方案

目前輕量化技術(shù)的主要思路是在保證產(chǎn)品性能、成本的前提下，采用基于性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料、新工藝等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)減重、降耗、環(huán)保、安全等目標(biāo)[6]。

用沖壓件代替鑄造加工件，對(duì)于某些產(chǎn)品而言，是提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本的有效方法[7]。與鑄件相比，因沖壓件具有輕薄、加工高效和方便、成本低、更環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，如果沖壓件材料的強(qiáng)度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以考慮用在懸置支架的設(shè)計(jì)上。

基于這一思路，根據(jù)懸置支架模型在上述兩種極限工況下的分析結(jié)果，結(jié)合模型受力特點(diǎn)，以原始模型為雛形，在其構(gòu)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)?？紤]成本和環(huán)保等多方面因素，在力求不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，對(duì)懸置支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的輕量化方案模型采用沖壓件焊接成一體的拼焊結(jié)構(gòu)，模型如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后模型示意

3.2 輕量化新結(jié)構(gòu)材料描述

新結(jié)構(gòu)采用沖壓板件焊接成一體的總成方式，新結(jié)構(gòu)的材料采用DL610，材料參數(shù)見表4。

表4 輕量化支架材料參數(shù)

3.3 輕量化新結(jié)構(gòu)仿真分析

采用上述同樣的分析方法和過程，對(duì)輕量化方案新結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到的分析結(jié)果如圖10—圖13所示。

圖10 優(yōu)化后懸置支架位移云圖(工況一)

圖11 優(yōu)化后懸置支架應(yīng)力云圖(工況一)

圖12 優(yōu)化后懸置支架位移云圖(工況二)

圖13 優(yōu)化后懸置支架應(yīng)力云圖(工況二)

圖10—圖13表明，優(yōu)化后的輕量化懸置支架在極限工況一下的最大位移為1.03 mm，最大應(yīng)力為362.5 MPa。在極限工況二下的最大位移為0.78 mm，最大應(yīng)力為346.6 MPa。結(jié)構(gòu)在給定極限工況下滿足強(qiáng)度要求，可以運(yùn)用該設(shè)計(jì)方案作為懸置支架輕量化的設(shè)計(jì)方向。

3.4 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

將懸置支架優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見表5。

表5 優(yōu)化前后模型相關(guān)數(shù)據(jù)表

從優(yōu)化前后懸置支架結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表可以看出，優(yōu)化后的輕量化結(jié)構(gòu)由于采用沖壓件拼焊的方式，在最大位移上略高于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，但是模型最大應(yīng)力變化基本不大，安全系數(shù)提高，在保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)單件減重2.58 kg，輕量化效果顯著。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)懸置支架進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)存在富余，可以對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

(2)輕量化結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，輕量化方案較原結(jié)構(gòu)單件質(zhì)量減輕2.58 kg，減重達(dá)29%，輕量化效果顯著。

(3)該方案采用沖壓件拼焊的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)制造過程中較原模型在一定程度上減少了對(duì)環(huán)境的污染，且材料加工制造成本均有一定程度下降，該輕量化方案具有可行性。

(4)懸置支架輕量化設(shè)計(jì)方案采用的新材料、新工藝方法具有可實(shí)施性。

(5)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，巧妙地運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工程手段，可以極大地縮短設(shè)計(jì)周期，在設(shè)計(jì)初期節(jié)省了因試驗(yàn)造成的人力和物力成本，更滿足現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)的要求。

(6)文中所用到的分析方法可以更廣泛地應(yīng)用到其他產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)中。