晏寧, 邵長(zhǎng)明

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

實(shí)施平臺(tái)戰(zhàn)略可大幅降低汽車公司的成本，并提高開(kāi)發(fā)效率，加快新產(chǎn)品推出，平臺(tái)化開(kāi)發(fā)已成為各大汽車廠降低研發(fā)成本以及縮短開(kāi)發(fā)周期的重要手段。對(duì)整車而言，平臺(tái)化是一種降本增效的非常有效的手段，同時(shí)，平臺(tái)化相關(guān)方法也可應(yīng)用在汽車中各分總成、小總成的通用化設(shè)計(jì)中，這將對(duì)各分總成、小總成的設(shè)計(jì)時(shí)間與費(fèi)用的降低產(chǎn)生較大的影響?；谄脚_(tái)化參數(shù)設(shè)計(jì)的思想與方法，拓?fù)鋬?yōu)化多用于汽車行業(yè)設(shè)計(jì)的多參數(shù)優(yōu)化，郭鈴鈴等采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)掀背門(mén)的輕量化進(jìn)行一定研究，周德生、錢銀生等基于拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)拖鉤強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，張偉、王鈺棟等則對(duì)白車身進(jìn)行了基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的設(shè)計(jì)優(yōu)化，另外，還有基于拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車架進(jìn)行的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)并取得了一定的成果。而參數(shù)化則是進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與研究可加快平臺(tái)化的設(shè)計(jì)。文中主要基于參數(shù)化優(yōu)化，闡述掀背門(mén)鉸鏈平臺(tái)化過(guò)程中的參數(shù)研究與優(yōu)化。因此，文中主要是對(duì)鉸鏈的布置方式、尺寸參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，解析出影響較大的鉸鏈布置與結(jié)構(gòu)參數(shù)，并針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行多參數(shù)組合優(yōu)化，獲得較優(yōu)的平臺(tái)化參數(shù)。

1 鉸鏈平臺(tái)化參數(shù)對(duì)性能的影響

鉸鏈作為掀背門(mén)與車身的連接件，其剛度和可靠性決定了掀背門(mén)在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性，鉸鏈雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但性能要求較高。掀背門(mén)鉸鏈常用的布置方式有卷軸式(圖1)和非卷軸式(圖2)兩種，其中非卷軸式在用料上較卷軸式少18.5%左右，但在生產(chǎn)線上裝配的手操作空間較小、卷軸式掀背門(mén)鉸鏈在生產(chǎn)線裝配的手操作空間大，但制造工藝更加復(fù)雜、裝配難度高。兩相比較選取偏向基本持平，因此需要比較其剛度性能來(lái)確定掀背門(mén)鉸鏈平臺(tái)化采用的布置方式。

圖1 某型掀背門(mén)鉸鏈的卷軸式布置方式

圖2 某型掀背門(mén)鉸鏈的非卷軸式布置方式

采用有限元法對(duì)以上兩種鉸鏈布置方式的剛度性能進(jìn)行對(duì)比。鉸鏈的剛度性能分析采用縱向剛度和橫向剛度兩個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其分別定義為縱向加載和橫向加載時(shí)加載點(diǎn)的位移的倒數(shù)，那么可知在同等條件下剛度越大越好。

基于鉸鏈幾何數(shù)據(jù)處理獲得鉸鏈的有限元分析模型，如圖3所示，以非卷軸式鉸鏈為例，并按照?qǐng)D2的邊界和約束條件進(jìn)行模型搭建。鉸鏈4個(gè)部分(活動(dòng)頁(yè)、固定頁(yè)、鉸鏈軸、襯套)的材料信息見(jiàn)表1。

圖3 鉸鏈的有限元模型

表1 鉸鏈各部分的材料信息

經(jīng)有限元法分析，獲得兩種鉸鏈布置形式的剛度對(duì)比，如圖4所示。對(duì)比可知，非卷軸式鉸鏈同等情況下剛度優(yōu)于卷軸式鉸鏈，因此文中選取非卷軸式鉸鏈作為平臺(tái)化鉸鏈的布置形式。

圖4 兩種鉸鏈布置形式的剛度對(duì)比

對(duì)于鉸鏈設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其主要的控制參數(shù)有8個(gè)，詳見(jiàn)表2。此參數(shù)表中的幾何尺寸參數(shù)對(duì)鉸鏈的剛度影響通過(guò)有限元法進(jìn)行分析，判斷參數(shù)變化對(duì)剛度的影響程度及趨勢(shì)，解析出影響較大的參數(shù)。

表2 鉸鏈主要控制參數(shù)

按照設(shè)計(jì)實(shí)際相符的原則，在合理且可實(shí)現(xiàn)的尺寸范圍內(nèi)，對(duì)表2中的參數(shù)進(jìn)行離散賦值，詳見(jiàn)表3。然后分別建立對(duì)應(yīng)參數(shù)值的有限元分析模型，計(jì)算獲得鉸鏈的剛度性能結(jié)果。

表3 各參數(shù)的離散賦值 單位：mm

有限元法建模以及分析后，獲得各參數(shù)變化對(duì)剛度的影響趨勢(shì)結(jié)果，如圖5所示。對(duì)比分析可知，對(duì)掀背門(mén)鉸鏈剛度影響較大的參數(shù)有、、f、a、等5個(gè)，接下來(lái)對(duì)這5個(gè)參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 各參數(shù)變化對(duì)剛度的影響趨勢(shì)

2 鉸鏈平臺(tái)化參數(shù)優(yōu)化研究

在滿足鉸鏈的側(cè)向剛度、縱向剛度、塑性應(yīng)變等要求的條件下，對(duì)鉸鏈參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中對(duì)、、f、a、等5個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以體積最小為目標(biāo)，以加載點(diǎn)位移、塑性應(yīng)變?yōu)榧s束，以上述5個(gè)變量為參數(shù)，并考慮工程實(shí)際給定參數(shù)取值的變化范圍,詳見(jiàn)表4。參數(shù)的優(yōu)化流程如圖6所示。

表4 優(yōu)化參數(shù)變化范圍 單位：mm

圖6 參數(shù)的優(yōu)化流程

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的參數(shù)組合見(jiàn)表5，其中和f兩個(gè)參數(shù)的優(yōu)化值與初始值相差較大，且除f外其余參數(shù)基本在參數(shù)值范圍的下限，這表明如果實(shí)際條件允許，這幾個(gè)參數(shù)可以進(jìn)一步降低，這有利于減重，但須根據(jù)實(shí)際尺寸配合的情況來(lái)決定。

表5 優(yōu)化后參數(shù)組合 單位：mm

采用優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格變形，分析橫向剛度和縱向剛度，結(jié)果如圖7所示。從圖中觀察可知，橫向剛度和縱向剛度在優(yōu)化后均有一定提升，其中橫向剛度提升65.7%，縱向剛度提升6.9%，且鉸鏈質(zhì)量減少2.2%，質(zhì)量降低，進(jìn)一步降低成本。

圖7 優(yōu)化參數(shù)前后剛度對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

文中以某型掀背門(mén)鉸鏈作為分析對(duì)象，對(duì)鉸鏈的布置形式以及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有限元對(duì)比分析，確定鉸鏈平臺(tái)化的布置方式采用非卷軸式。解析出對(duì)鉸鏈剛度性能影響較大的參數(shù)，主要有、、f、a、等5個(gè)參數(shù)，并確定為鉸鏈平臺(tái)化的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。再結(jié)合鉸鏈設(shè)計(jì)實(shí)際確定參數(shù)變化范圍，并以質(zhì)量最小為目標(biāo)，以剛度性能和塑性應(yīng)變?yōu)榧s束條件，對(duì)鉸鏈進(jìn)行多參數(shù)組合優(yōu)化分析，最后找出相對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)在保證剛度的前提下降低質(zhì)量的目的以及掀背門(mén)鉸鏈的平臺(tái)化參數(shù)設(shè)計(jì)。