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基于扭转工况的某商用车二横梁强度分析及优化改进

2023/12/19    来源:Altair    作者:韦永平  陈建  胡兰  黎朝琳      
关键字:强度分析  二横梁  形貌优化  OptiStruct  
本文针对二横梁在实际使用过程中出现开裂现象的问题,首先对开裂的原因进行了分析和讨论。并基于有限元分析理论,对原始的二横梁结构进行了有限元强度分析,得出二横梁最大应力出现的位置与实际中开裂的位置相吻合的结论。然后利用有限元结构优化软件OptiStruct对二横梁结构进行形貌优化和尺寸优化。
1 引言

       某商用车上的二横梁安装位置位于发动机横梁和变速器横梁之间,为了使车架横梁系统名称保持一致性(原发动机横梁属于附件组),该横梁仍称之为二横梁。二横梁左右两端分别通过四颗M16的螺栓与前簧吊耳支座连接在一起,其主要功能为与变速器横梁一起固定变速箱,支承和保护变速箱,并通过与发动机横梁及左右部分纵梁一起形成“四边形”结构,提高了车架前段的刚度,同时对于提高车架系统的抗弯扭能力具有重要的作用。尤其在恶劣路面上,当汽车转向过弯行驶和在加速、制动工况中,二横梁对于维持整车的舒适性和保持底盘系统的稳定性也具有相当重要的作用。

2 二横梁开裂实效分析

       某批车型的用户在使用过程中二横梁出现开裂现象,由售后质量处送检的5件二横梁样品均为三包旧件,其材质为P510L。通过对样品旧件进行宏观观察,发现开裂位置呈规律性地产生于二横梁的第二颗螺栓孔处。为了查明二横梁开裂失效的原因,理化室对5件失效样品进行了检验和分析,5件样品的试验编号分别为1#、2#、3#、4#、5#,如图1所示。

二横梁样品开裂位置

图1 二横梁样品开裂位置

       通过在二横梁开裂处制取化学分析样品,并在GNR直读光谱仪下分析,得出5件样品检测结果并按照相关标准评定,结果显示5件开裂样品的材质均符合材料P510L钢牌号要求。同时在开裂处制取横、纵向金相样品并在奥林巴斯金相显微镜下观察,发现5件开裂样品的基体组织均为细致均匀的等轴铁素体和珠光体,无异常的带状组织缺陷,5件样品开裂区域表面均没有明显的脱碳层。

       经过以上分析可知,失效样品开裂基本上都发生在相同的位置,具有极强的规律性、一致性,说明开裂位置为使用过程中的应力集中区域。二横梁在使用过程中,因工况复杂多样,二横梁所承受的载荷主要有汽车自重及载重等造成的垂直弯曲载荷,恶劣路面引起的扭转载荷及偏心造成的局部载荷等,各种应力叠加,导致在开裂区域形成过大的应力集中,使二横梁板材断面系数相对过小,造成开裂处的应力与其周围的应力差异过大,进而容易导致在二横梁的应力集中区域产生开裂现象。

3 有限元强度分析

       3.1 有限元网格划分

       某批车型上使用的二横梁结构其CATIA几何模型如图2所示,该二横梁结构采用断开式型式,左右支架为对称结构,材料厚度为6.0mm,横梁中段为冲压成形的π形结构,材料厚度为7.0mm。横梁中段和左右支架的装配连接为通过8个塞焊实现连接。利用有限元前处理软件HyperMesh对二横梁结构进行网格划分,基本单元尺寸为10.0mm,网格单元类型以四边形单元为主,少量的三角形单元实现网格的过渡,以提高结构的网格质量。最终二横梁的有限元网格模型如图3所示:

二横梁原始几何结构

图2 二横梁原始几何结构

二横梁结构网格模型

图3 二横梁结构网格模型

       3.2 仿真模型的建立

       根据设计部门提供的材料明细表,建立各部件的材料信息和厚度属性。各部件的连接关系为:螺栓连接采用CBAR梁单元进行模拟,seam单元模拟两个部件之间的缝焊连接,并考虑相关部件之间的运动关系,在HyperMesh前处理软件中建立车架的扭转仿真模型。其边界条件为约束平衡轴处的23自由度,约束前桥的12345自由度,并在前桥中心施加绕x方向转动的强制扭转载荷SPCD,使车架在纵向平面内绕x轴扭转5°,车架扭转的有限元仿真模型如图4所示:

车架扭转有限元仿真模型

图4 车架扭转有限元仿真模型

       3.3 仿真结果分析

       将建立完成的仿真模型提交RADIOSS求解器求解计算,得到二横梁的应力云图如图5所示:

二横梁应力云图

图5 二横梁应力云图


       经过仿真分析结果可知,二横梁的最大应力为425.93Mpa,且超过了材料的屈服强度355Mpa。而且其最大应力出现的位置也位于二横梁与前簧后吊耳连接的第二颗螺栓位置处,与实际破坏的位置高度吻合,也更进一步说明实际中扭转载荷将会造成二横梁的局部应力过大,从而造成二横梁的开裂破坏。

4 二横梁结构的优化分析

       优化设计以数学规划为理论基础,将设计问题的物理模型转化为数学模型,运用最优化数学理论,以计算机和应用软件为工具,在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。

       4.1 结构优化的数学模型

       优化设计有三要素,即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数;目标函数就是要求的最优设计性能,是关于设计变量的函数;约束条件是对设计的限制,是对设计变量和其他性能的要求。

       优化设计的数学模型可表述为:


       式中,X=x1,x2,?,xn是设计变量;f(X)是目标函数;g(X)是不等式约束函数;h(X)是等式约束函数;上角标L指Lower Limit,即下限;上角标U指Upper Limit,即上限。

       4.2 形貌优化

       为了得到性能更合理的二横梁结构,现对二横梁进行形貌优化设计。将二横梁与前簧后吊耳连接的8个螺栓区域定义为非设计区域,其余区域定义为设计区域,如图6所示。充分考虑零件的冲压成形工艺和可加工性,为设计变量定义形貌优化的起肋参数,并定义模式类型,使形貌优化后的结构关于横向和纵向两个平面对称,如图7所示:

定义设计区域

图6 定义设计区域

 

定义模式类型

图7 定义模式类型


       并定义形貌优化的约束和目标函数,经过OptiStruct 6次优化迭代求解后,其形貌优化的结果如图8所示。考虑零件的可加工制造性,结合形貌优化后的结果,利用三维设计软件CATIA对二横梁的结构进行重新设计,得到形貌优化后的几何模型,如图9所示:

形貌优结果

图8 形貌优结果

 

形貌优化后CATIA模型

图9 形貌优化后CATIA模型

 

形貌优化后二横梁应力云图

图10 形貌优化后二横梁应力云图


       将形貌优化后的二横梁结构划分网格后,导入到车架扭转模型中。经仿真计算后,形貌优化后的二横梁应力云图如图10所示。从应力云图可知,形貌优化后二横梁的最大应力出现的位置仍然位于与前簧后吊耳连接的第二颗螺栓位置处,且最大应力为332.73Mpa,相比原始结构其最大应力降低了21.88%。

       4.3 尺寸优化

       尺寸优化是OptiStruct中提供的另一种优化方法,它是基于对模型形状有了一定的形状设计思路后的一种参数化细节设计。主要通过参数调节如改变壳的厚度、梁的横截面参数、弹簧单元的刚度和质量单元的属性以及复合材料的铺层厚度和角度等,以达到一定的设计要求。通过合理的分配各个构件的这些属性,从而改善结构的某些特性如降低构件的设计重量、减小应力、提高刚度等。因此在保证二横梁结构满足刚度要求的同时减小结构的重量,有必要对二横梁的左右支架和横梁中段进行离散尺寸优化。

       形貌优化后二横梁的断开式结构如图11所示。左右支架的初始厚度属性为6.0mm,横梁中段的初始厚度属性为7.0mm。

二横梁断开式结构

图11 二横梁断开式结构

尺寸优化结果模型

图12 尺寸优化结果模型

       分别为左右支架和横梁中段定义离散设计变量,以二横梁的最大应力作为约束函数;优化目标函数为二横梁结构的体积最小化。经过OptiStruct 3次优化迭代求解后,其尺寸优化结果模型如图12所示,左右支架最终优化厚度为6.0mm;横梁中段最终优化厚度为2.0mm。

       因此最终设计的二横梁结构几何模型如图13所示,将尺寸优化后的二横梁结构应用于车架扭转仿真模型。经仿真计算后,最终设计的二横梁结构其应力云图如图14所示。从应力云图可知,最终设计二横梁的最大应力出现的位置与实际中出现开裂的位置一致,且最大应力为321.09Mpa,小于材料P510L的屈服强度值355Mpa,相比原始的二横梁结构其最大应力值降低了24.61%。

二横梁最终设计数模

图14 二横梁最终设计数模

优化后二横梁应力云图

图15 优化后二横梁应力云图

5 结论 

       本文针对二横梁在实际使用过程中出现开裂现象的问题,首先对开裂的原因进行了分析和讨论。并基于有限元分析理论,对原始的二横梁结构进行了有限元强度分析,得出二横梁最大应力出现的位置与实际中开裂的位置相吻合的结论。然后利用有限元结构优化软件OptiStruct对二横梁结构进行形貌优化和尺寸优化,结果表明优化后的二横梁结构最大应力降低了24.61%,小于所用材料P510L的屈服强度,满足设计的要求。该优化方法对于指导相关产品的设计和结构的改进具有一定的理论参考意义,同时对处理类似的问题有一定的工程意义。
责任编辑:程玥
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