摘要：利用Altair公司的solidThinking Inspire 優(yōu)化工具，建立了某重型貨車平衡軸支座的拓?fù)淇臻g，之后定義了工況載荷和工藝約束。在此基礎(chǔ)上，利用基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)平衡軸支座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在規(guī)定的體積內(nèi)取得最佳的材料分布，使得剛度最大。根據(jù)solidThinking Inspire的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了 CAD 模型重建， 并對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的平衡軸支座安全性能得到提高，質(zhì)量減輕。

    關(guān)鍵詞：solidThinking 重卡 平衡軸支座 優(yōu)化 

    一、引言  

   solidThinking 是一款為設(shè)計(jì)師所打造的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)/造型軟件。solidThinking Inspire 應(yīng)用 Altair  OptiStruct 求解器，利用了工程上“拓?fù)鋬?yōu)化”技術(shù)，模擬了自然界中生物生長(zhǎng)的過程，最終獲得材料最省的最佳承力結(jié)構(gòu)。Inspire 擁有良好的設(shè)計(jì)概念視覺化效果。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。 

    平衡軸支座是重型車固定和安裝平衡軸及縱向推力桿的部件，承受來自推力桿的縱向力和平衡軸的垂向力, 所以對(duì)其強(qiáng)度要求很高；近年來車輛輕量化的呼聲愈來愈高，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。                   

    二、平衡軸支座的原始設(shè)計(jì) 

    2.1 初始設(shè)計(jì)空間 

    所謂設(shè)計(jì)空間就是優(yōu)化前的初始結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化過程中不改變非設(shè)計(jì)空間， 通過優(yōu)化計(jì)算，挖掉設(shè)計(jì)空間中的多余部分，所剩部分構(gòu)成的形狀被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果。設(shè)計(jì)空間一般選取優(yōu)化對(duì)象所占據(jù)的最大可能區(qū)域， 以充分挖掘優(yōu)化潛力，同時(shí)要保證約束及載荷能夠有效傳遞到結(jié)構(gòu)上，以及結(jié)構(gòu)的工藝性。鑒于支座與車架的安裝連接關(guān)系，以及支座與縱向推力桿的安裝關(guān)系，平衡軸支座的拓?fù)鋬?yōu)化空間如圖1所示，初始設(shè)計(jì)空間為綠色部分，非設(shè)計(jì)空間為紫色部分。  

    非設(shè)計(jì)空間有以下幾個(gè)部分：

    ① 支座與車架的安裝孔； 

    ② 下面與縱向推力桿連接的兩個(gè)縱向長(zhǎng)孔和與其他附件連接的小孔；

    ③ 連接平衡軸的伸出端。

                                                                圖 1 平衡軸支座拓?fù)鋬?yōu)化空間

    2.2 工況定義 

    平衡軸支座在車輛重載、制動(dòng)和重載制動(dòng) 3 種典型工況下，所處工況比較惡劣，所以文章重點(diǎn)關(guān)注這 3 種工 況。對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析或者試驗(yàn)測(cè)試，可以計(jì)算或者測(cè)試出平衡軸支座處的作用力和作用力矩，表 1 為 3 種工況下，作用在某重型貨車平衡軸支座上的載荷，表 1 中的工況及載荷大小來源于整車廠對(duì)該型重卡平衡軸支座的試驗(yàn)測(cè)試。  

                                                                表 1 平衡軸支座工況及載荷

    2.3 載荷與約束

    2.3.1 車輛重載  

    約束與車架連接的 20 個(gè)安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個(gè)移動(dòng)副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；平衡軸支座軸端施加 Z+向力 160000N，如圖 2 所示。

                                                                圖 2 平衡軸支座重載工況約束與載荷  

    2.3.2 制動(dòng)工況  

    約束與車架連接的 20 個(gè)安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個(gè)移動(dòng)副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；平衡軸支座軸端施加 Z+向力 80000N，縱向推力桿連接的兩個(gè)孔各施加 X+向的力為 45500N，如圖 3 所示。

                                                                圖 3 平衡軸支座制動(dòng)工況約束與載荷 

    2.3.3 重載制動(dòng)  

    約束與車架連接的 20 個(gè)安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個(gè)移動(dòng)副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；平衡軸支座軸端施加 Z+向力 160000N，縱向推力桿連接的兩個(gè)孔各施加 X+向的力為 45500N，如圖 4 所 示。

                                                                圖 4 平衡軸支座重載制動(dòng)工況約束與載荷 

    2.4 形狀控制  

    零部件拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)果滿足工況要求，但是拓?fù)浜蟮男螤顣?huì)增加工藝的難度，或者工藝無(wú)法完成，這樣優(yōu)化 出來的零件也是毫無(wú)意義的。 Inspire 增加了形狀控制模塊，可以模擬現(xiàn)實(shí)中的加工工藝，使拓?fù)鋬?yōu)化與加工工藝緊密聯(lián)合起來，增加側(cè)向自車架固定端向車架外側(cè)的拔模方向，如圖 5 所示平面。

                                                                圖 5 拔模約束設(shè)置  

    平衡軸支座過軸端中心，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 6 所示。

                                                                圖 6 對(duì)稱約束設(shè)置  

    2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì) 

    優(yōu)化計(jì)算之前， 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)空間除安裝孔及定位板以外的部分，即圖 1 綠色區(qū)域顯示的部分，將其定義為設(shè)計(jì)空間，然后設(shè)置其優(yōu)化目標(biāo)，這里設(shè)置其目標(biāo)為最大剛度，由于是概念設(shè)計(jì)階段，所以材料采用系統(tǒng)默認(rèn)的 AISI304，其他采用系統(tǒng)默認(rèn)。根據(jù)之前的優(yōu)化設(shè)置， 在 ThinkStation C30 圖形工作站運(yùn)行 20 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)，如圖 7 所示。 

    根據(jù)優(yōu)化結(jié)果， 另存為*.stp 文件作為重建模型的參考，用于模型的重建。根據(jù)之前的概念雛形，結(jié)合平衡 軸支座與車架及縱向推力桿及其他附件的連接關(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 8 所示。

                                                                圖 7 平衡軸支座優(yōu)化結(jié)果

                                                                圖 8 平衡軸支座創(chuàng)意設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)  

    三、平衡軸支座的強(qiáng)度驗(yàn)證  

    3.1 有限元模型 

    文中采用 HyperMesh 對(duì)某重型貨車平衡軸支座原結(jié)構(gòu)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格全局尺寸選擇 5 mm，最終 有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)為 97856，實(shí)體單元數(shù)為 367572。 該支架材料為鑄鐵 QT500-7，彈性模量 E=147 GPa， 泊松比為 0.3，密度為 7.8×10 kg/mm ，質(zhì)量為 59.15kg kg，屈服強(qiáng)度≥320 MPa，抗拉強(qiáng)度≥500 MPa。 

    3.2 約束邊界及工況載荷 

    平衡軸支座與車架直接連接，模型中添加剛性單元（rigid bar element）rbe2 來定義約束，添加剛性單元 rbe3 來定義載荷作用位置。該支座模型中共添加 20 處用于固定約束的 rbe2，分別位于支座上端與車架連接處；3 個(gè) 用于載荷施加的 rbe3 單元，位于平衡軸支座軸端與下端與縱向推力桿連接處。與車架相連處約束 6 個(gè)自由度， 在 rbe3 處分別施加垂向重載、制動(dòng)、重載制動(dòng)三個(gè)工況的載荷，有限元計(jì)算模型如圖 9 所示。

                                                                圖 9 平衡軸支座有限元計(jì)算模型  

    根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的平衡軸支座結(jié)構(gòu)，利用大型有限元軟件 HyperWorks 平臺(tái)的 RADIOSS 求解器對(duì)平衡軸支座 進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，平衡軸支座新結(jié)構(gòu)最大 von Mises 應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。 

                                                                表 2 平衡軸支座各工況下最大應(yīng)力及安全系數(shù)

    計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)過 solidThinking Inspire 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的平衡軸支座，各工況下強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)要求，最小 安全系數(shù)為 1.15。該平衡軸支座在車輛可靠性試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)斷裂等問題，證明其設(shè)計(jì)滿足性能需求。通過對(duì)平衡軸支座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，證明了基于 solidThinking Inspire 的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法可以有效提高產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，合理布局零件的材料，達(dá)到了降低制造成本的目的。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 11 所示。

                                                                圖 10 平衡軸支座工程應(yīng)用

    四、結(jié)論

    （1）利用 Altair 公司的創(chuàng)意設(shè)計(jì)軟件 solidThinking Inspire 進(jìn)行汽車平衡軸支座的創(chuàng)意概念設(shè)計(jì)，根據(jù) solidThinking Inspire 中得到的創(chuàng)意雛形，在三維工程設(shè)計(jì)軟件 CATIA 中考慮安裝、工藝制造等因素，建立最終的設(shè)計(jì)模型； 

    （2）該方案在后期也經(jīng)過了 Altair 有限元分析求解器 RADIOSS 的強(qiáng)度驗(yàn)證，設(shè)計(jì)已經(jīng)體現(xiàn)在現(xiàn)有產(chǎn)品中，經(jīng)過試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題； 

    （3）利用 solidThinking Inspire 進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，大幅提升產(chǎn)品開發(fā)一次成功率，避免產(chǎn)品開發(fā)過程中的反復(fù)改進(jìn)， 降低產(chǎn)品開發(fā)成本。                                                            

         

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