摘要：利用Altair公司的solidThinking Inspire 優(yōu)化工具，建立了某輕卡后板簧支架的拓?fù)淇臻g，之后定義了工況載荷和加工工藝，采用多工況單一目標(biāo)的方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在規(guī)定的體積內(nèi)取得最佳的材料分布，使得剛度最大。并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了 CAD 模型重建，該設(shè)計經(jīng)過了整車可靠性試驗驗證，其結(jié)果證明了設(shè)計的合理性。

    關(guān)鍵詞：solidThinking 輕卡 板簧支架 優(yōu)化    

    一、引言  

   隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及計算機輔助水平的不斷提升，對產(chǎn)品的設(shè)計要求也日益提升，現(xiàn)已逐漸擺脫了經(jīng)驗主義進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，而是越來越依靠基于科學(xué)方法的計算機輔助工具進(jìn)行各類工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計，這樣在保證產(chǎn)品高質(zhì)量的前提下，使用盡量少的材料，以最大限度地節(jié)約成本，且能大大提高產(chǎn)品的一次開發(fā)成功率。在汽車設(shè)計過程中，引入計算機仿真優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)這些目的的較好手段。 

    solidThinking Inspire 工具由于其自身具有界面簡潔、易學(xué)易用等優(yōu)勢，近年來越來越多汽車行業(yè)設(shè)計師將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計周期的概念設(shè)計階段，根據(jù)零部件或系統(tǒng)的受力及約束工況，利用優(yōu)化技術(shù)獲得材料的最佳承力結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

    文章以某輕卡后板簧活動端支架為優(yōu)化設(shè)計對象，運用大型 CAE 分析軟件 HyperWorks 平臺中的 solidThinking Inspire 工具，以密度法為理論依據(jù)對板簧支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)數(shù)模設(shè) 計。                                                                                                                            

    二、后板簧活動端支架的原始設(shè)計 

    該輕卡后板簧活動端支架原始方案為鋼板拼焊總成件，圖 1，圖 2 分別為后板簧活動端支架與車架裝配圖和后板簧活動端支架拼焊總成圖。拼焊件有以下缺點：  

（1）零件表面質(zhì)量較差，影響其工藝性能； 

（2）零件的一致性難以保證，對零件安裝等造成影響； 

（3）焊接的焊縫質(zhì)量等直接影響零件的機械強度和可靠耐久性能； 

（4）焊接件工序較多，大大降低生產(chǎn)和制造效率。

   鑒于以上原因，需要對該部件進(jìn)行重新設(shè)計，首先考慮設(shè)計為一體鑄件，雖然在后期生產(chǎn)過程中需要為板簧支架重新開模，但從產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及收益綜合角度考慮，一體鑄件的優(yōu)勢原大于之前的拼焊總成件。

                                                                圖 1 輕卡后板簧活動端支架與車架裝配圖

                                                                圖 2 輕卡后板簧活動端支架拼焊總成

    三、后板簧活動端支架的原始設(shè)計 

    3.1 初始設(shè)計空間 

    在設(shè)計開始之前，設(shè)計師通過創(chuàng)建模型外觀邊界的三維實體來構(gòu)思造型， 這個邊界所包含的體積稱為設(shè)計空間，設(shè)計空間要充分考慮與周邊零件的位置關(guān)系，避免裝配過程中產(chǎn)生干涉。所有 solidThinking Inspire 優(yōu)化后的形態(tài)都包含于這個設(shè)計空間里。 鑒于后板簧活動端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，汽車后板簧活動端支架的初始設(shè)計空間定義，如圖 3 所示。其中，垂向 3 個小孔與車架的 側(cè)翼面連接，水平方向 1 個小孔與車架下翼面連接，右側(cè) 1 個大孔為支架與卷耳的安裝孔。

                                                                圖 3 輕卡后板簧活動端支架初始設(shè)計空間  

    3.2 工況定義 

      后板簧活動端支架載荷通常由沖擊、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、加速、制動等工況產(chǎn)生，通常有以下幾種工況：  

    （1）制動：模擬整車制動時的板簧支架受力工況，板簧支架承受制動引起的垂直載荷和縱向載荷； 

    （2）轉(zhuǎn)向：模擬整車轉(zhuǎn)向時的板簧支架受力工況，板簧支架承受轉(zhuǎn)向引起的垂直載荷和側(cè)向載荷； 

    （3）過坑：模擬整車在遇到不平坑洼路面時，兩軸一高一低時的板簧支架受力工況，板簧支架承受垂直力 載荷和縱向力載荷；

     （4）垂向跳動：模擬整車沖擊時板簧支架承受的垂直方向的沖擊載荷，其值在靜載基礎(chǔ)上引入動載系數(shù)以 反映汽車在不平路面等速行駛的動態(tài)載荷； 

    （5）組合工況：模擬整車在行駛過程中，遇上之前工況的組合情況，板簧支架承受轉(zhuǎn)向引起的垂直載荷和 側(cè)向載荷，制動引起的縱向載荷等； 后板簧活動端支架各工況載荷通過多體動力學(xué)軟件進(jìn)行載荷提取，多體動力學(xué)模型如圖 4 所示，載荷結(jié)果如表 1 所示。

                                                                圖 4 輕卡后懸架多體動力學(xué)模型

                                                                表 1 后板簧活動端支架工況及載荷

   載荷測量點在后板簧活動端支架卷耳孔位置。其中，X，Y，Z 均為汽車整車坐標(biāo)，X 正方向為汽車行駛相反方向，Y 向為汽車左右方向，Z 正方向為汽車向上的方向。 FX，F(xiàn)Y ，F(xiàn)Z 分別為后板簧支架所受到的力， 單位為 N，其正負(fù)值分別對應(yīng)：汽車行駛方向相反/相同、汽車行駛時向右/向左、汽車行駛時向上/下的力，TX， TY ，TZ為后板簧支架所受到的扭矩，單位為 N?mm，正負(fù)值用右手定理表示，（拇指指向軸，四指指向）為正，反之為負(fù)。

    3.3 載荷與約束  

   3.3.1 制動工況  

   約束與車架連接的 4 個安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個移動副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動的 3 個轉(zhuǎn)動副；在與卷耳連接的孔中心處各施加縱向和垂向的力載荷，如圖 5 所示。

                                                                圖 5 后板簧活動端支架制動工況約束與載荷  

   3.3.2 轉(zhuǎn)向工況  

   約束與車架連接的 4 個安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個移動副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動的 3 個轉(zhuǎn)動副；在與卷耳連接的孔中心處各施加縱向、側(cè)向和垂向的力載荷，施加繞 X 軸和 Z 軸的扭矩載荷，如圖 6 所示。

                                                                圖 6 后板簧活動端支架轉(zhuǎn)向工況約束與載荷  

   3.3.3 過坑工況  

   約束與車架連接的 4 個安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個移動副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動的 3 個轉(zhuǎn)動副；在與卷耳連接的孔中心處各施加縱向和垂向的力載荷。 

   3.3.4 跳動工況  

   約束與車架連接的 4 個安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個移動副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動的 3 個轉(zhuǎn)動副；在與卷耳連接的孔中心處各施加縱向和垂向的力載荷。 4.3.5 組合工況 約束與車架連接的 4 個安裝孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 個移動副，放開其繞 X，Y，Z 軸轉(zhuǎn)動的 3 個轉(zhuǎn)動副；在與卷耳連接的孔中心處各施加縱向、側(cè)向和垂向的力載荷，施加繞 X 軸和 Z 軸的扭矩載荷。

   3.4 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黾庸に嚨碾y度，或者工藝無法完成，這樣優(yōu)化 出來的零件也是毫無意義的。 Inspire 增加了形狀控制模塊，可以模擬現(xiàn)實中的加工工藝，使拓?fù)鋬?yōu)化與加工工藝緊密聯(lián)合起來，添加側(cè)向自車架固定端向車架外側(cè)的拔模方向，如圖 7 所示平面。

                                                                圖 7 形狀控制

   3.5 優(yōu)化設(shè)計 

   優(yōu)化計算之前， 首先定義其設(shè)計空間和非設(shè)計空間，由于各個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)化的空間為整個初始設(shè)計空間除安裝孔及定位板以外的部分，即圖 3 綠色區(qū)域顯示的部分，將 其定義為設(shè)計空間，然后設(shè)置其優(yōu)化目標(biāo)，這里設(shè)置其目標(biāo)為最大剛度質(zhì)量 20%，由于是概念設(shè)計階段，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， 在高性能圖形工作站運行 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，如圖 8 所示。

                                                                圖 8 后板簧活動端支架優(yōu)化結(jié)果  

   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。由于板簧支架與車架安裝的 4 個 孔為鉚釘連接，考慮鉚接工藝及零件制造要求，在三維設(shè)計軟件 CATIA 里面進(jìn)行模型重構(gòu)，獲得最終結(jié)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計，如圖 9 所示。

                                                                圖 9 后板簧活動端支架創(chuàng)意設(shè)計結(jié)構(gòu)  

     該板簧支架在后續(xù)汽車可靠性試驗過程中未出現(xiàn)開裂等問題，證明其設(shè)計滿足性能需求，且其質(zhì)量比之前拼 焊總成件減輕近 9%

    四、結(jié)論

    本文通過借用專業(yè)定制化拓?fù)鋬?yōu)化軟件 solidThinking Inspire 對某輕卡后板簧活動端支架進(jìn)行了快速高效的設(shè)計。設(shè)計中施加的工況載荷通過多體動力學(xué)進(jìn)行提取，在優(yōu)化參數(shù)設(shè)置中施加拔模方向的工藝約束。

    根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案結(jié)果的幾何，在三維設(shè)計軟件 CATIA 中進(jìn)行模型重構(gòu)，達(dá)到了符合工藝制造以及經(jīng)濟性 設(shè)計要求。整個設(shè)計流程簡單、高效，較傳統(tǒng)設(shè)計過程，大大的增加了零件設(shè)計的合理性，減輕了重量，提高 了材料使用率及設(shè)計效率，降低了成本。                                              

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