摘要：傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往只注重其本身的功能需求，忽視產(chǎn)品的性能，使之可靠性得不到有效的 保證。文章利用Altair公司有限元軟件HyperWorks中的solidThinking Inspire工具建立了車輛板簧支架的拓?fù)淇臻g，之后進(jìn)行了工況載荷的定義，最后將質(zhì)量目標(biāo)定義為20%，得到整個(gè)拓?fù)涓拍钅Ｐ停M(jìn) 而在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)由功能向性能的跨越。 

      關(guān)鍵詞：性能 Altair solidThinking Inspire 概念 板簧支架 拓?fù)淇臻g

      1前言

      工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前，一般會(huì)在腦海里生成一個(gè)產(chǎn)品的雛形，進(jìn)而勾勒出整個(gè)產(chǎn)品的大致模樣，這個(gè)階段可以稱為概念創(chuàng)意階段，接下來(lái)會(huì)考慮產(chǎn)品的功能性，滿足零件的裝配及使用情況，但往往對(duì)產(chǎn)品的性能欠考慮，使得產(chǎn)品在使用過(guò)程中可靠性得不到保障。如今，隨著Altair公司solidThinking Inspire這樣既簡(jiǎn)潔又實(shí)用的分析工具的出現(xiàn)，工程師不僅在設(shè)計(jì)階段考慮到產(chǎn)品的外形，同時(shí)也能滿足產(chǎn)品的性能要求，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)的魅力由內(nèi)而外充分體現(xiàn)。

      2板簧支架設(shè)計(jì)背景

      車輛前板簧后支架是重型車固定前板簧后部卷耳的支架，受到來(lái)自板簧方面的載荷，較容易受到破壞，所以對(duì)其強(qiáng)度要求很高；近年來(lái)車輛輕量化的呼聲愈來(lái)愈高，所以各類鑄件支架等都要求 在滿足強(qiáng)度要求的情況下質(zhì)量最小，因此在工程概念設(shè)計(jì)初期，非常有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到強(qiáng)度和輕量化要求。

      solidThinkingInspire采用Altair先進(jìn)的OptiStruct優(yōu)化求解器，并擁有良好的設(shè)計(jì)概念視覺(jué)化效果。具有界面簡(jiǎn)潔、易學(xué)易用等優(yōu)勢(shì)，可以縮短設(shè)計(jì)周期，滿足功能并減重，非常適合產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段提升結(jié)構(gòu)性能并輔助減重。

      介于以上情況，在車輛前板簧后支架概念設(shè)計(jì)階段，為了快速獲得優(yōu)秀的產(chǎn)品雛形，利用Inspire 進(jìn)行其優(yōu)化工作，下面將詳細(xì)介紹利用Altair公司優(yōu)化工具solidThinking Inspire進(jìn)行車輛板簧支架從概念創(chuàng)意到實(shí)際工程應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程。

      3板簧支架優(yōu)化設(shè)計(jì) 

      3.1初始設(shè)計(jì)空間

      在設(shè)計(jì)開(kāi)始之前，設(shè)計(jì)師通過(guò)創(chuàng)建模型外觀邊界的三維實(shí)體來(lái)構(gòu)思造型，這個(gè)邊界所包含的體 積我們稱為設(shè)計(jì)空間，所有Inspire優(yōu)化后的形態(tài)都包含于這個(gè)設(shè)計(jì)空間里。鑒于支架與車架的安裝 連接關(guān)系，以及支架與板簧卷耳的位置和安裝關(guān)系，車輛前板簧后支架的初始設(shè)計(jì)空間定義如圖1 所示，其中六個(gè)小孔為支架與車架的安裝孔，下面兩個(gè)大孔為支架與卷耳的安裝空位。

                                                                                        圖1初始設(shè)計(jì)空間

      3.2工況定義

      由于要考慮到工程實(shí)際應(yīng)用，所以必須對(duì)部件的工作狀況進(jìn)行定義，只有這樣，solidThinking Inspire優(yōu)化出來(lái)的結(jié)構(gòu)才能滿足實(shí)際工作需要。根據(jù)該型車前板簧后支架在車輛中的實(shí)際作用，定義了3個(gè)工況，分別為：

（1）垂向靜態(tài)工況 

      車輛在平穩(wěn)或靜止?fàn)顟B(tài)下，受力情況為：Fz=3.24t； 

（2）制動(dòng)工況 

      車輛行進(jìn)過(guò)程中制動(dòng)，受力情況為：Fz=3.24t，F(xiàn)x=0.35×3.24t；

（3）轉(zhuǎn)彎工況

      車輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，受力情況為：Fz=3.24t，F(xiàn)y=0.2×3.24t； 

      其中：3.24t為單個(gè)板簧支架所承受的來(lái)自車輛軸端的載荷，以上下標(biāo)x、y、z均為車輛整車坐 標(biāo)，x正方向?yàn)檐囕v行駛相反方向，z正方向?yàn)檐囕v向上的方向，y向?yàn)檐囕v左右方向。

      3.3約束與載荷 

      3.3.1垂向靜態(tài)工況

      與車架連接的 6 個(gè)安裝孔約束其三個(gè)移動(dòng)副，3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副放開(kāi)；與卷耳連接的兩個(gè)孔各施加 1.62t 的載荷，如圖 2 所示。

                                                                                       圖 2 垂向靜態(tài)工況約束與載荷

      3.3.2 制動(dòng)工況 

      與車架連接的 6 個(gè)安裝孔約束其三個(gè)移動(dòng)副，3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副放開(kāi)；與卷耳連接的兩個(gè)孔各施加 Z 正向 1.62t 的載荷，另外施加 X 負(fù)向 0.35×3.24t 載荷，如圖 3 所示。

                                                                                       圖 3 制動(dòng)工況約束與載荷

      3.3.3 轉(zhuǎn)彎工況 

      與車架連接的 6 個(gè)安裝孔約束其三個(gè)移動(dòng)副，3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副放開(kāi)；與卷耳連接的兩個(gè)孔各施加 Z 正向 1.62t 的載荷，另外施加 Y 負(fù)向 0.2×3.24t 載荷，如圖 4 所示。

                                                                                       圖 4 轉(zhuǎn)彎工況約束與載荷

      3.3.4 形狀控制 

      板簧支架過(guò)卷耳安裝孔中心，在 X 方向左右對(duì)稱，設(shè)置該部件在 YZ 平面兩側(cè)對(duì)稱，如圖 5 所 示。

                                                                                       圖 5 X 方向?qū)ΨQ約束

      3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化分析之前，首先定義其設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間，由于各個(gè)安裝孔是用來(lái)固定支架的，位置 和形狀基本不變，所以可優(yōu)化的空間為整個(gè)初始設(shè)計(jì)空間除安裝孔以外的部分，也就是圖中綠色區(qū)域顯示的部分，將其定義為設(shè)計(jì)空間，之后其模型顏色變?yōu)楹稚鐖D 6 所示。

                                                                                       圖 6 設(shè)計(jì)空間設(shè)定

      約束載荷及然后設(shè)置其優(yōu)化目標(biāo)，這里設(shè)置其目標(biāo)質(zhì)量為 20%，由于是概念設(shè)計(jì)階段，所以材 料采用系統(tǒng)默認(rèn)的 AISI 304，其他采用系統(tǒng)默認(rèn)，如圖 7 所示。

                                                                                       圖 7 優(yōu)化分析設(shè)置 

      根據(jù)之前的優(yōu)化設(shè)置，在 HP Z800 圖形工作站運(yùn)行 8 分鐘后得到優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后的概念創(chuàng)意設(shè)計(jì)如 8 圖所示。

                                                                                       圖 8 Inspire 優(yōu)化結(jié)果 

      根據(jù)之前 Inspire 優(yōu)化后的概念雛形，結(jié)合支架與車架及板簧的連接關(guān)系，以及零件制造及工藝性的要求，獲得最終結(jié)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)如圖 9 所示。

                                                                                       圖 9 創(chuàng)意設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

      4 結(jié)論 

      將最終的創(chuàng)意設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在實(shí)際工程中，與車輛的板簧及車架連接，如圖 10 所示，整個(gè)創(chuàng)意設(shè)計(jì)過(guò)程可以用圖 11 來(lái)表示。

                                                                                       圖 10 工程實(shí)際應(yīng)用

                                                                                       圖11 板簧支架創(chuàng)意設(shè)計(jì)過(guò)程 

     通過(guò) solidThinking Inspire 可以更加科學(xué)有效的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使材料在零件的布置更加合理，克服了以往靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，僅考慮零件的功能性需求，忽視其可靠性的缺陷。通過(guò) Inspire 的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以很好的布置其材料分布，而且節(jié)省不必要的材料應(yīng)用，既提高工作效率，也實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低。

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