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基于solidThinking Inspire的轻卡后板簧支架设计

2017/10/12    来源:互联网    作者:张克鹏      
关键字:solidThinking  轻卡  板簧支架  优化  
本文利用Altair公司的solidThinking Inspire优化工具建立了某轻卡后板簧支架的拓扑空间,并对优化结果进行了CAD模型重建,该设计经过了整车可靠性试验验证,其结果证明了设计的合理性。

    1 概述

    随着工业技术的发展及计算机辅助水平的不断提升,对产品的设计要求也日益提升,现已逐渐摆脱了经验主义进行产品开发,而是越来越依靠基于科学方法的计算机辅助工具进行各类工业产品的设计,这样在保证产品高质量的前提下,使用尽量少的材料,以最大限度地节约成本,且能大大提高产品的一次开发成功率。在汽车设计过程中,引入计算机仿真优化技术是实现这些目的的较好手段。

    solidThinking Inspire工具由于其自身具有界面简洁、易学易用等优势,近年来越来越多汽车行业设计师将其应用于产品设计周期的概念设计阶段,根据零部件或系统的受力及约束工况,利用优化技术获得材料的最佳承力结构,并在此基础上进行详细设计。

    文章以某轻卡后板簧活动端支架为优化设计对象,运用大型CAE分析软件HyperWorks平台中的solidThinking Inspire工具,以密度法为理论依据对板簧支架进行拓扑优化,并根据拓扑优化结果进行详细数模设计。

    2 拓扑优化数学模型

    目前常用的连续体拓扑优化方法有均匀化法、变密度法和渐进结构优化法等。文章采用变密度法进行板簧支架的拓扑优化, 其基本思想是引入一种假想的密度值在0~1之间的密度可变材料,将连续结构体离散为有限元模型后,以每个单元的密度为设计变量,将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。

    若以结构变形能最小为目标, 考虑材料体积约束和结构的平衡, 设计空间内各单元的相对密度为设计变量,则拓扑优化的数学模型为:

    1

    3 后板簧活动端支架的原始设计

    该轻卡后板簧活动端支架原始方案为钢板拼焊总成件,图1,图2分别为后板簧活动端支架与车架装配图和后板簧活动端支架拼焊总成图。拼焊件有以下缺点:

    (1)零件表面质量较差,影响其工艺性能;

    (2)零件的一致性难以保证,对零件安装等造成影响;

    (3)焊接的焊缝质量等直接影响零件的机械强度和可靠耐久性能;

    (4)焊接件工序较多,大大降低生产和制造效率。

    鉴于以上原因,需要对该部件进行重新设计,首先考虑设计为一体铸件,虽然在后期生产过程中需要为板簧支架重新开模,但从产品质量可靠性及收益综合角度考虑,一体铸件的优势原大于之前的拼焊总成件。

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    图1 轻卡后板簧活动端支架与车架装配图

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    图2 轻卡后板簧活动端支架拼焊总成

    4 后板簧活动端支架的原始设计

    4.1 初始设计空间

    在设计开始之前,设计师通过创建模型外观边界的三维实体来构思造型, 这个边界所包含的体积称为设计空间,设计空间要充分考虑与周边零件的位置关系,避免装配过程中产生干涉。所有 solidThinking Inspire优化后的形态都包含于这个设计空间里。 鉴于后板簧活动端支架与车架的安装连接关系,以及支架与板簧卷耳的位置和安装关系,汽车后板簧活动端支架的初始设计空间定义,如图3所示。其中,垂向3个小孔与车架的侧翼面连接,水平方向1个小孔与车架下翼面连接,右侧 个大孔为支架与卷耳的安装孔。

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    图3 轻卡后板簧活动端支架初始设计空间

    4.2 工况定义

    后板簧活动端支架载荷通常由冲击、驱动、转向、加速、制动等工况产生,通常有以下几种工况:

    (1)制动:模拟整车制动时的板簧支架受力工况,板簧支架承受制动引起的垂直载荷和纵向载荷;

    (2)转向:模拟整车转向时的板簧支架受力工况,板簧支架承受转向引起的垂直载荷和侧向载荷;

    (3)过坑:模拟整车在遇到不平坑洼路面时,两轴一高一低时的板簧支架受力工况,板簧支架承受垂直力载荷和纵向力载荷;

    (4)垂向跳动:模拟整车冲击时板簧支架承受的垂直方向的冲击载荷,其值在静载基础上引入动载系数以反映汽车在不平路面等速行驶的动态载荷;

    (5)组合工况:模拟整车在行驶过程中,遇上之前工况的组合情况,板簧支架承受转向引起的垂直载荷和侧向载荷,制动引起的纵向载荷等;

    后板簧活动端支架各工况载荷通过多体动力学软件进行载荷提取,多体动力学模型如图4 所示,载荷结果如表1所示。

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    图4 轻卡后悬架多体动力学模型

    表1 后板簧活动端支架工况及载荷

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    载荷测量点在后板簧活动端支架卷耳孔位置。其中,X,Y,Z均为汽车整车坐标,X正方向为汽车行驶相反方向,Y向为汽车左右方向,Z正方向为汽车向上的方向。 F X,F Y,F Z分别为后板簧支架所受到的力,单位为N,其正负值分别对应:汽车行驶方向相反/相同、汽车行驶时向右/向左、汽车行驶时向上/下的力,T X,T Y ,TZ为后板簧支架所受到的扭矩,单位为N•mm,正负值用右手定理表示,(拇指指向轴,四指指向)为正,反之为负。

责任编辑:张纯子
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