摘 要：針對(duì)總裝吊點(diǎn)支架的輕量化問(wèn)題，提出了基于剛度協(xié)調(diào)的總裝吊點(diǎn)支架輕量化設(shè)計(jì)方法。在滿足沖壓成型工藝的前提下，提高總裝吊點(diǎn)支架的材料牌號(hào)以提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可操作性，在此基礎(chǔ)上，采用剛度協(xié)調(diào)策略對(duì)總裝吊點(diǎn)支架進(jìn)行優(yōu)化以平衡總裝吊點(diǎn)支架和側(cè)圍外板的剛度。優(yōu)化結(jié)果表明，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，總裝吊點(diǎn)支架重量降低了41g，減重率達(dá)26.1%，輕量化效果顯著，驗(yàn)證了所提的基于剛度協(xié)調(diào)的總裝吊點(diǎn)支架輕量化設(shè)計(jì)方法的有效性，為汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供一種可借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：剛度協(xié)調(diào) 輕量化設(shè)計(jì) 總裝吊點(diǎn)支架

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，化石燃料日益減少，環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)劇烈，節(jié)能減排成為人們密切關(guān)注的話題。汽車總裝是一個(gè)將汽車各零部件組裝起來(lái)的工藝過(guò)程，是汽車在制造過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。而總裝吊點(diǎn)支架作為汽車重要的垂向支撐件，在總裝吊點(diǎn)工況下扮演著重要角色。如何在保證可靠性的前提下，盡可能地降低總裝吊點(diǎn)支架重量，從而達(dá)到降本增效、節(jié)能減排的目的，成為汽車開發(fā)中的一大難題。

剛度協(xié)調(diào)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個(gè)重要概念，其基本思想為：通過(guò)合理的剛度分配，使得系統(tǒng)各零部件之間的剛度相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)最佳的力學(xué)性能。眾多學(xué)者在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用了剛度協(xié)調(diào)原理。崔勇[1]基于剛度協(xié)調(diào)原理對(duì)電機(jī)托架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了滿足可靠性電機(jī)托架結(jié)構(gòu)。謝素明等[2]對(duì)動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究，總結(jié)出了動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)剛度協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)原則。丁彥闖等[3]通過(guò)實(shí)際算例驗(yàn)證了基于剛度協(xié)調(diào)的疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。白從凱等[4]基于剛度協(xié)調(diào)理念對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向架的可靠性得到了明顯提升。蔡芳芳等[5]基于剛度協(xié)調(diào)原理對(duì)泵車樣機(jī)轉(zhuǎn)塔進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了泵車樣機(jī)轉(zhuǎn)塔的疲勞失效問(wèn)題。Niu等[6]針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于剛度協(xié)調(diào)思想，提出了一種焊接結(jié)構(gòu)的三級(jí)抗疲勞設(shè)計(jì)方法，該方法可廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和抗疲勞性能的提高中。

本文針對(duì)總裝吊點(diǎn)支架的輕量化問(wèn)題，從剛度協(xié)調(diào)角度出發(fā)，對(duì)總裝吊點(diǎn)支架進(jìn)行了優(yōu)化，并將優(yōu)化前、后的強(qiáng)度和重量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 總裝吊點(diǎn)靜強(qiáng)度分析

將車身模型導(dǎo)入ANSA軟件中進(jìn)行單元離散，并截取部分車身模型用于后續(xù)靜強(qiáng)度分析，通過(guò)力的平衡計(jì)算得到4個(gè)總裝吊點(diǎn)位置的載荷，約束車身截?cái)嗝嫒孔杂啥?，?個(gè)舉升塊下表面施加相應(yīng)Z向載荷，總裝吊點(diǎn)強(qiáng)度分析有限元模型如圖1所示，得到的等效應(yīng)力云圖如圖2所示。由應(yīng)力云圖可知，總裝吊點(diǎn)支架最大等效應(yīng)力為1089.2MPa，大于材料HC340/590屈服強(qiáng)度的382MPa，側(cè)圍外板最大等效應(yīng)力為152MPa，小于材料DC56D屈服強(qiáng)度的157MPa，由此可知總裝吊點(diǎn)支架強(qiáng)度不滿足要求。

2 總裝吊點(diǎn)強(qiáng)度優(yōu)化

由應(yīng)力云圖可知，總裝吊點(diǎn)支架最大應(yīng)力位于耳朵中間偏上位置，這極有可能是由于耳朵過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致局部剛度較弱，從而引起的嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象?；诖耍诒ＷC工藝可實(shí)現(xiàn)性的前提下，將耳朵頭部下移9mm，分析結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，總裝吊點(diǎn)支架的最大等效應(yīng)力位置稍有下移，值降為754.1MPa，應(yīng)力降低明顯，側(cè)圍外板的最大等效應(yīng)力位置基本不變，但值卻升至176MPa。在提升總裝吊點(diǎn)支架剛度的情況下，支架自身應(yīng)力水平降低，而與之相連的側(cè)圍外板應(yīng)力水平卻有了一定增高，初步認(rèn)為總裝吊點(diǎn)強(qiáng)度工況下的總裝吊點(diǎn)支架和側(cè)圍外板存在剛度不協(xié)調(diào)問(wèn)題。為了驗(yàn)證該問(wèn)題，將總裝吊點(diǎn)支架厚度由1mm提升至1.2mm，仿真結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，總裝吊點(diǎn)支架和側(cè)圍外板的最大等效應(yīng)力位置均不變，值分別為711.3MPa和179MPa，在支架厚度提升的前提下，同樣符合前述情況，故可以判定總裝吊點(diǎn)支架和側(cè)圍外板在總裝吊點(diǎn)強(qiáng)度工況下存在剛度不協(xié)調(diào)問(wèn)題。

由上述可知，總裝吊點(diǎn)支架剛度如果較小，則自身應(yīng)力水平會(huì)很高，此時(shí)的側(cè)圍外板應(yīng)力處于較低水平；而當(dāng)總裝吊點(diǎn)支架的剛度過(guò)大時(shí)，其自身應(yīng)力會(huì)顯著下降，但同時(shí)會(huì)引起側(cè)圍外板應(yīng)力的升高，總裝吊點(diǎn)支架應(yīng)力和側(cè)圍外板應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。為了得到滿足強(qiáng)度要求的結(jié)果，需要協(xié)調(diào)總裝吊點(diǎn)支架剛度和側(cè)圍外板剛度，以尋求一個(gè)平衡。由于側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)難以更改，故剛度的協(xié)調(diào)主要通過(guò)對(duì)總裝吊點(diǎn)支架進(jìn)行優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，在滿足材料沖壓成型工藝的前提下，將支架的材料牌號(hào)由HC340/590（屈服強(qiáng)度382MPa）提升至HC550/980（屈服強(qiáng)度722MPa），通過(guò)提升材料的屈服強(qiáng)度為支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供更多可能性。然后，保持厚度不變，優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，旨在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，達(dá)到輕量化的目的，具體優(yōu)化方案見圖5。

優(yōu)化方案主要為：

（1）將頂部下移9mm，以在輕量化的同時(shí)，避免耳朵過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致局部剛度不足，從而導(dǎo)致此處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

（2）將加強(qiáng)筋以及中上部凸臺(tái)方向由向外改為向內(nèi)，以改變支架的變形方向，變形方向由向外變?yōu)橄騼?nèi)。

（3）將中下部凸臺(tái)移除，并對(duì)腹部進(jìn)行挖孔。潰縮孔形狀類似A型，可同時(shí)兼顧強(qiáng)度要求與極大化的輕量化效果。一方面，A型潰縮孔可以降低支架腹部及腿部剛度，從而改變傳力路徑，最終使得支架在總裝吊點(diǎn)工況下沿著其中間位置變形；另一方面，A型潰縮孔可以極大化輕量化效果。而其它形狀的潰縮孔則存在以下兩種情況：（1）雖然也能達(dá)到支架沿著中間位置變形的效果，但輕量化效果不佳；（2）輕量化效果很好，但支架自身剛度較弱，導(dǎo)致自身或側(cè)圍外板應(yīng)力不達(dá)標(biāo)。

優(yōu)化方案的仿真結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化前、后總裝吊點(diǎn)支架的強(qiáng)度及重量對(duì)比結(jié)果見表1。由表1及圖6可知，優(yōu)化后，從強(qiáng)度角度來(lái)看：總裝吊點(diǎn)支架最大等效應(yīng)力位置由耳朵中間偏上位置轉(zhuǎn)移至支架腿部倒角處，值為634.9MPa，小于材料HC550/980的屈服強(qiáng)度722MPa，與此同時(shí)，側(cè)圍外板的最大等效應(yīng)力降至139.5MPa，小于材料DC56D的屈服強(qiáng)度157MPa，無(wú)論是總裝吊點(diǎn)支架還是側(cè)圍外板均滿足強(qiáng)度要求；從輕量化效果來(lái)看：優(yōu)化后，總裝吊點(diǎn)支架重量由157g降為116g，減重41g，減重率達(dá)26.1%，輕量化效果顯著。

3 結(jié)論

本文基于剛度協(xié)調(diào)策略，對(duì)總裝吊點(diǎn)支架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，總裝吊點(diǎn)支架重量降低了41g，減重率達(dá)26.1%，輕量化效果顯著，驗(yàn)證了所提出的基于剛度協(xié)調(diào)的總裝吊點(diǎn)支架輕量化設(shè)計(jì)方法的有效性，為汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供一種可借鑒的方法。

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