【技術文章】基于Inspire軟件的汽車踩踏板材料及結構輕量化設計

張偉一

2023年6月9日 16:20

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引言

汽車踩踏板是駕駛員實現汽車加減速的重要零部件，主要包括踏板面、主體和固定部分，圖1為汽車踩踏板模型。據計算，汽車的總質量降低10%后，燃油消耗可降低6%~8%，排放污染物可降低4%，汽車輕量化設計對汽車產業可持續發展和實現“碳中和、碳達峰”具有重要意義。踩踏板是汽車工作過程中使用頻率最高的零件之一，其輕量化設計是當代汽車設計開發的重要考慮因素，即在一定的設計空間內，滿足限定條件的前提下，選擇合適的材料，通過拓撲優化調整其結構參數達到最優。

本文借助Altair Ispire軟件，采用有限元方法模擬汽車踩踏板在各個工況下的受力情況，確定風險點位置，根據拓撲云圖并基于踩踏板原始模型構建滿足結構強度要求的優化模型，實現汽車踩踏板的輕量化設計。優化過程針對性強，可有效縮短優化周期。

1.初始模型分析

踩踏板承受載荷主要來自垂直于踏板面的力，即踩踏力，端部和中間孔是與汽車制動系統的固定孔，通過約束和力來表征固定孔的安裝和承載情況。踩踏板受力及約束表達如圖2所示。駕駛員在行車過程中，踏板面受到垂直于面向下的50N作用力，中間孔部位置在踩踏板工作過程中為固定約束，端部孔則受到垂直向上的50 N反作用力。在單一載荷工況下對汽車踩踏板進行初始強度分析，設定分析限定條件，如分析單元、分析精度、載荷工況、分析模式等等。通過結構仿真獲得踩踏板應力、安全系數和質量云圖，通過云圖可知，踩踏板質量為0.24kg，最小安全系數為1.8，最大等效應力為23.3MPa，均出現在中間孔部約束位置。

2.材料選擇

汽車零部件材料輕量化和結構輕量化兩者相輔相成，在選用合適材料輕量化基礎下，借助結構輕量化最大限度地實現踩踏板輕量化。所選材料既要保證零部件強度要求，又要實現減輕車身自重的目標。目前汽車常用輕量化材料有高強鋼、鋁合金和復合材料。

2.1高強鋼

高強鋼在汽車制造中應用非常廣泛，主要用于防撞桿、骨架、立柱等汽車零部件，是汽車應用最多的材料之一，強度遠超傳統鋼制材料，是汽車輕量化常用材料。高強鋼輕量化手段是提高強度、減薄厚度，以實現輕量化。但在實際使用過程中會面臨諸多難題，例如：隨著鋼板強度的提高，高強度鋼韌性、成形性、焊接性會隨之下降。

2.2鋁合金

鋁合金具有與鋼制材料相同等級的強度，其密度僅為鋼材的1/3，比強度較高，是汽車零部件較為常用的輕質材料。鋁合金型材具有較好的抗沖擊能力，是鋼材的2倍，可顯著提升汽車的碰撞強度。鋁合金型材在汽車制造過程中已表現出舉足輕重的作用，主要用于殼體、內外板等汽車零部件，將來在汽車輕量化進程中的應用會越來越廣泛。

2.3復合材料

隨著人們對汽車防腐、美觀和舒適等方面需求的不斷增加，非金屬材料在汽車制造過程備受關注，復合材料則是汽車輕量化過程中具有代表性的非金屬材料。復合材料具有質量小、易設計、耐腐蝕等特點，主要用于儀表盤、翼子板等汽車零部件，但由于復合材料成本較高，限制了其應用范圍。

2.4材料對比

表1對高強鋼、鋁合金和復合材料特點進行了對比，踩踏板輕量化過程需要考慮減重效果、安全性和成本等綜合因素，根據3種材料的對比可知，鋁合金材料最適合作為踩踏板輕量化材料。汽車踩踏板初始模型材料為鋼材，輕量化過程采用6系鋁合金材料，最大限度地提高踩踏板強度并降低質量，實現綜合性能優化。

3.結構優化設計

3.1結構優化原理

結構優化概念在1988年由Kikuchi首次提出，其優化思想是：根據結構件載荷狀況、限定條件和性能要求，把求解結構的最優輕量化問題轉變成求解材料的最優分布問題，在優化設計空間內對材料分布進行設計。通過對踩踏板進行結構、材料的優化設計，可以更好地提高汽車實用性，降低溫室氣體排放。汽車踩踏板結構優化過程采用Kikuchi所提方法進行優化設計，即將踩踏板設計變量作為優化空間中各部分的相對密度，明確踩踏板優化區域的約束條件，設定優化前后的體積百分比，并建立踩踏板結構拓撲優化模型，踩踏板結構拓撲優化數學模型如下。

式中：Y為優化空間各部分相對密度；Z為材料密度的取值區域；m為全部設計域單元量；優化目標C（y）為目標結構平滑度；F為踩踏板結構件承受的負載；K為踩踏板結構的整體強度；P為踩踏板結構承受負載情況下的位移；V為每次優化設計后踩踏板的體積；Q為初始設定優化后踩踏板總體積保留率；Vmax為初始設定的優化后踩踏板體積最大值；Ymin和Ymax分別為設計空間相對密度的最小值和最大值，當踩踏板某部分相對密度等于Ymin時，則認為該部分密度為0，即該部分已被去除。

3.2結構優化流程

優化設計中需要綜合考慮踩踏板及其所構成系統的剛度、強度等性能，以保證踩踏板和整車的安全性能，圖3為拓撲優化設計流程圖。

1）定義優化空間。踩踏板的結構可分為優化空間和非優化空間，優化空間是指對踩踏板進行優化的部分，非優化空間是指優化過程踩踏板結構不發生變化的部分。通過踩踏板優化數學模型計算，去除優化空間中多余材料，剩余材料組成的結構則是結構輕量化的結果，即通過減材實現結構優化。優化空間大多選取可優化結構所占的最大空間，以充分挖掘踩踏板輕量化成效，此外還要保證踩踏板所受約束和載荷能夠傳遞到各部分結構，且輕量化后的踩踏板具有良好的負載特性和成形性能。汽車踩踏板中主體部分占據最大優化區域，在載荷作用下踏板面對主體產生擠壓，載荷通過主體擴展到端孔部分，轉為端孔內部的擠壓作用力，主體為主要承載部分。因此，以踩踏板主體部分作為設計空間進行拓撲優化設計，踏板面和固定部分為非設計空間。

2）添加載荷約束。拓撲優化階段所添加載荷約束同初始模型分析過程一致，分別在垂直于踏板面方向向下添加50N作用力，垂直于端部孔方向向上添加50N作用力，中間孔部位置設定為固定約束。確定踩踏板優化后形狀，主體使用擠出方式，采用對稱形式進行優化，優化結果更為美觀且后期加工生產方便。

3）設置優化參數。在Inspire軟件中對踩踏板進行優化參數設置，具體參數設置為：優化目標選擇“最大化剛度”，優化質量設定“30%的設計空間體積”，最小厚度為9mm，分析單元尺寸為4mm，考慮踩踏板工作過程中的滑動接觸因素，根據載荷工況得到的拓撲優化結果如圖4所示。

4）優化結果。執行優化運算時間約15min，根據優化結果，考慮加工便利、安裝需要和材料利用率，優化后踩踏板模型如圖4所示，此時汽車踩踏板質量為0.17kg。