馬庸，張春，陳振，付鑫，羅御

1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442000;2.東風(fēng)專用零部件有限公司，湖北十堰 442000

0 引言

在商用車(chē)駕駛室懸置的結(jié)構(gòu)中，前懸置翻轉(zhuǎn)臂由于受到空間位置限制以及要承受復(fù)雜的受力工況，故主體件采用沖壓結(jié)構(gòu)的很少，大多數(shù)為整體鑄件的結(jié)構(gòu)形式。但鑄件結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，生產(chǎn)周期比較長(zhǎng)、廢品率較高、單件質(zhì)量較大、制造成本較高。隨著計(jì)算機(jī)CAE分析技術(shù)的發(fā)展以及高強(qiáng)度材料、焊接技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種沖壓組焊結(jié)構(gòu)的駕駛室前懸置翻轉(zhuǎn)臂。與鑄件產(chǎn)品相比,該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品既減輕了質(zhì)量，降低了綜合成本,同時(shí)又保證了強(qiáng)度要求，順應(yīng)了商用車(chē)整車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)要求。

本文基于有限元分析手段，對(duì)支架進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果中關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布，對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)部件輕量化目標(biāo)，繼而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，提高汽車(chē)的動(dòng)力性和降低燃油油耗。

1 有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，汽車(chē)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算已經(jīng)離不開(kāi)有限元的分析。對(duì)三維零件進(jìn)行有限元分析，從而求取幾何變形體的三類力學(xué)信息(位移、應(yīng)變、應(yīng)力)等。運(yùn)用工程數(shù)值分析中的有限元等技術(shù)分析計(jì)算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理參數(shù)。

傳統(tǒng)汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)想其結(jié)構(gòu)，搭建三維模型，并進(jìn)行試制驗(yàn)證，驗(yàn)證的時(shí)間周期較長(zhǎng)，且耗費(fèi)了人力、物力及成本。利用計(jì)算機(jī)輔助工程并集合有限元分析方法在復(fù)雜的工況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)判，極大地縮短了試制的周期，減少了試制的成本，提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率。

2 翻轉(zhuǎn)臂強(qiáng)度分析

圖1為前懸置翻轉(zhuǎn)臂鑄造結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)由鑄件翻轉(zhuǎn)臂和銷軸焊接組成，結(jié)構(gòu)較單一。但其毛坯的鑄造周期較長(zhǎng)，還需要對(duì)鑄件進(jìn)行機(jī)加工才能滿足安裝的相關(guān)尺寸，且整體的生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。

圖1 前懸置翻轉(zhuǎn)臂鑄造結(jié)構(gòu)

2.1 建立有限元分析模型

Altair公司開(kāi)發(fā)的 HyperWorks是一款功能強(qiáng)大的仿真分析軟件。因其具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力、完善的網(wǎng)格修改工具和后處理以及多種求解器接口等優(yōu)勢(shì),本文運(yùn)用有限元分析軟件HyperWorks對(duì)駕駛室前懸置翻轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析,并校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

將駕駛室前懸置翻轉(zhuǎn)臂的CREO三維模型(含前懸置左右翻轉(zhuǎn)臂、橫向穩(wěn)定桿)轉(zhuǎn)換為Stp格式，導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行前處理工作。建立翻轉(zhuǎn)臂有限元分析模型時(shí)，翻轉(zhuǎn)臂新結(jié)構(gòu)鈑金件用殼單元模擬，單元的平均尺寸為6 mm；原結(jié)構(gòu)鑄造件用四面體單元模擬，單元平均尺寸5 mm。模型網(wǎng)格以四邊形的網(wǎng)格為主，含有比較少數(shù)的三角形單元。對(duì)于螺栓形式的連接，采用剛性單元RBE2+beam的形式，穩(wěn)定桿和左右翻轉(zhuǎn)臂采用Contact接觸連接，焊接處采用Seam連接。有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

2.2 材料描述

翻轉(zhuǎn)臂原結(jié)構(gòu)采用ZGD410-700材料,其材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 翻轉(zhuǎn)臂原結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

2.3 邊界條件及工況描述

此種商用車(chē)駕駛室前懸置翻轉(zhuǎn)臂在實(shí)際路況上受到3種工況的組合力：此翻轉(zhuǎn)臂安裝的邊界如圖3所示，前懸上支架的后端和鑄件翻轉(zhuǎn)臂通過(guò)螺栓連接，前懸上支架前端和翻轉(zhuǎn)臂中間通過(guò)彈簧支撐，左右翻轉(zhuǎn)臂中間通過(guò)穩(wěn)定桿連接到一起，左右前懸上支架和駕駛室縱梁連接。

圖3 安裝示意

(1)左右翻轉(zhuǎn)臂通過(guò)穩(wěn)定桿連接后，左右翻轉(zhuǎn)臂相對(duì)于整車(chē)向正負(fù)位移25 mm，模擬整車(chē)極限工況顛簸時(shí)，左右翻轉(zhuǎn)臂受上下反向25 mm側(cè)傾時(shí)候位移落差，如圖4所示。

圖4 工況1示意

(2)彈簧減振元件裝配底座處受到的彈簧壓縮力為20 kN，豎直向下，模擬整車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上支架通過(guò)彈簧將力傳導(dǎo)在翻轉(zhuǎn)臂彈簧減振元件安裝處，如圖5所示。

圖5 工況2示意

(3)減振器銷軸安裝處受到的拉伸力，翻轉(zhuǎn)臂兩孔鉸接，沿著減振器方向施加15 kN的拉力，模擬整車(chē)裝配，在側(cè)向減振器安裝銷軸處受到拉力，如圖6所示。

圖6 工況3示意

2.4 分析結(jié)果

(1)左右翻轉(zhuǎn)臂通過(guò)穩(wěn)定桿螺栓連接后受到上下反向25 mm側(cè)傾時(shí)位移落差工況,通過(guò)CAE對(duì)此受力工況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 工況1應(yīng)力云圖

(2)對(duì)彈簧裝配底座處受到的彈簧壓縮力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 工況2應(yīng)力云圖

(3)對(duì)減振器銷軸安裝處受到的拉伸力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 工況3應(yīng)力云圖

分析結(jié)果表明,前懸置翻轉(zhuǎn)臂在極限工況3下的最大應(yīng)力為422.2 MPa，原結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限。經(jīng)過(guò)核實(shí)，有限元分析施加的力遠(yuǎn)超過(guò)了實(shí)際工況，此應(yīng)力數(shù)值只用于兩種不同方案的結(jié)果對(duì)比。在工況1下的最大應(yīng)力為135.6 MPa，在工況2下的最大應(yīng)力為79.6 MPa，原結(jié)構(gòu)在給定工況下滿足強(qiáng)度要求,且工況1和工況2有較大的富余量,可以進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

3 輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 輕量化設(shè)計(jì)方案

采用沖壓件代替鑄造加工件,對(duì)于某些結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品而言,是提高其生產(chǎn)效率、縮短其制造周期、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低綜合成本的有效方法。

基于上述思路，綜合考慮成本和環(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)。此翻轉(zhuǎn)臂沖壓件主體結(jié)構(gòu)和鑄件的結(jié)構(gòu)相似，且具有可沖壓制造的基礎(chǔ)、U型結(jié)構(gòu)、易于沖壓成型?；谏鲜隹紤]，現(xiàn)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)。

對(duì)翻轉(zhuǎn)臂沖壓結(jié)構(gòu)的腔體型支架主體，進(jìn)行了工藝的成型性分析及焊接性分析，綜合評(píng)估無(wú)工藝難點(diǎn)，且相對(duì)于優(yōu)化前，其極大地縮短了生產(chǎn)周期，從而提高了生產(chǎn)的節(jié)拍及效率。

輕量化結(jié)構(gòu)的模型如圖10所示。

圖10 輕量化結(jié)構(gòu)的模型

3.2 輕量化結(jié)構(gòu)材料選擇

輕量化結(jié)構(gòu)采用沖壓板件焊接成一體的總成方式,輕量化結(jié)構(gòu)的材料采用高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)用鋼HG70,材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 輕量化翻轉(zhuǎn)臂的材料參數(shù)

3.3 輕量化結(jié)構(gòu)仿真分析

采用上述同樣的分析方法和過(guò)程,對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,得到的分析結(jié)果如圖11至圖13所示。

圖11 輕量化結(jié)構(gòu)工況1應(yīng)力云圖

圖12 輕量化結(jié)構(gòu)工況2應(yīng)力云圖

圖13 輕量化結(jié)構(gòu)工況3應(yīng)力云圖

分析結(jié)果表明,輕量化的前懸置翻轉(zhuǎn)臂在工況3下的最大應(yīng)力為379.4 MPa;在極限工況1下的最大應(yīng)力為276.7 MPa;在極限工況2下的最大應(yīng)力為89.1 MPa。輕量化結(jié)構(gòu)在給定工況下滿足強(qiáng)度要求。

3.4 優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比

將輕量化后結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并與鑄件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3至表5。

表3 優(yōu)化前后模型應(yīng)力對(duì)比結(jié)果 單位:MPa

表4 優(yōu)化前后安全系數(shù)對(duì)比結(jié)果

表5 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

從輕量化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可以看出,輕量化結(jié)構(gòu)由于采用沖壓件拼焊的方式,在工況1和工況2下略微差于鑄件結(jié)構(gòu)，但是在工況3極限工況下優(yōu)于鑄件結(jié)構(gòu),此應(yīng)力是鑄件和輕量化結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力工況，模型最大應(yīng)力變化基本不大,安全系數(shù)在工況2和工況3都相對(duì)于原結(jié)構(gòu)有所提高。輕量化結(jié)構(gòu)在3種工況下的安全系數(shù)均大于1。

此輕量化結(jié)構(gòu)在保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的單件質(zhì)量減輕1.5 kg，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。

3.5 輕量化結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)上述輕量化的設(shè)計(jì)與分析，實(shí)際原鑄件結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)臂，在第3種工況時(shí)，受到應(yīng)力422.2 MPa已經(jīng)超過(guò)了材料的屈服極限410 MPa，這顯然是不符合常理，但零件在實(shí)際整車(chē)上，受力沒(méi)有達(dá)到15 kN，此情況得到了主機(jī)廠的證實(shí)。原結(jié)構(gòu)如圖14所示，輕量化結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖14 原結(jié)構(gòu)

圖15 輕量化結(jié)構(gòu)

經(jīng)與主機(jī)廠落實(shí)，第一種強(qiáng)扭工況是需要臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性的(通過(guò)10萬(wàn)次振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn))。輕量化結(jié)構(gòu)件通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，如圖16所示。

圖16 臺(tái)架試驗(yàn)

為了充分地驗(yàn)證輕量化結(jié)構(gòu)件的整體性能，搭載了整車(chē)路試(通過(guò)7 500 km路試試驗(yàn))，如圖17所示。

圖17 輕量化結(jié)構(gòu)搭載整車(chē)路試

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)前懸置翻轉(zhuǎn)臂鑄件原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析,分析結(jié)果和驗(yàn)證結(jié)果基本保持一致，有限元仿真分析可被廣泛地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中。

(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1.5 kg,減重達(dá)25%,輕量化效果顯著。并對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)件進(jìn)行特殊工況下的臺(tái)架試驗(yàn)及7 500 km的路試試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，輕量化結(jié)構(gòu)件通過(guò)試驗(yàn)。

(3)該方案采用沖壓件拼焊的結(jié)構(gòu),生產(chǎn)制造周期相對(duì)于鑄造短,在一定程度上減少了原鑄件結(jié)構(gòu)帶來(lái)的環(huán)境污染，該輕量化結(jié)構(gòu)件方案具有可行性。

(4)前懸置翻轉(zhuǎn)臂輕量化設(shè)計(jì)方案采用的是新材料，其工藝具有可實(shí)施性。

(5)本文所用到的分析方法及加工制造工藝實(shí)施方法可更廣泛地應(yīng)用到其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。