扭梁
關(guān)注創(chuàng)建者：打不倒的小乖獸 創(chuàng)建時間：2019-01-24
扭梁的實(shí)例教程
汽車內(nèi)支撐件后扭梁屬于典型梁類沖壓件，在成形過程中容易發(fā)生起皺、回彈、拉裂及較薄等表面缺陷，影響使用性能。為提高后扭梁沖壓成形成品率，本文借助Dynaform軟件對其沖壓成形過程進(jìn)行有限元數(shù)值分析，獲得較為合理工藝設(shè)計參數(shù)，為企業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用。
后扭梁簡介
如圖1所示，為天津某模具公司的汽車底盤后扭梁模型，該模型包括后扭梁上部和下部零件，均為沖壓件，并通過CO2氣體保護(hù)焊將后扭梁上下部連接到一起。
圖1汽車后扭梁模型
汽車后扭梁是汽車的重要組成部分，需大批量生產(chǎn)，零件采用常用3mm厚B280VK鋼板，該種材料沖壓性能良好，適于沖壓批量生產(chǎn)，這樣不僅能提高生產(chǎn)效率，降低成本，還能夠有效保證零件精度與互換性。本文有限元模擬采用Barlat’s-3 parameter Plasticity Model材料模型，該模型適用于任何薄板金屬成形分析，相關(guān)輸入?yún)?shù)如表1所示，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，材料參數(shù)很大程度上決定有限元模擬精度，因在進(jìn)行有限元仿真模擬前一般要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)或查詢工程材料手冊獲得較為準(zhǔn)確材料參數(shù)。
圖2 B280VK材料應(yīng)力應(yīng)變曲線
后扭梁沖壓成形仿真分析
（1）有限元模型 對零件沖壓成形進(jìn)行計算機(jī)仿真，主要包括兩個步驟：第一，利用CAD軟件建立零件幾何模型。第二，將幾何模型導(dǎo)入Dynaform有限元軟件，建立有限元模型，進(jìn)行有限元前處理、有限元求解和仿真結(jié)果分析。本文僅對后扭梁下部進(jìn)行有限元分析。
扭轉(zhuǎn)梁下部零件是利用CATIA軟件建立幾何模型，并通過IGES格式輸出，導(dǎo)入到Dynaform中，將模型形面當(dāng)做沖壓模擬中的凹模，劃分網(wǎng)格，然后通過網(wǎng)格偏移生成沖壓凸模和壓邊圈模型，如圖3所示。
展開 福特最近發(fā)明了一種新型的扭梁式后懸架系統(tǒng)并申請了專利，獲得了媒體的廣泛好評。AutoCar UK 在2018 年7月對Fiesta ST的評論中說:“也許是與彎曲的“力矢量彈簧有關(guān)，但在壓縮沖程中，后部似乎有助于汽車在彎曲中樞轉(zhuǎn)。這是一種突然而微妙的效果，并賦予了汽車驚人的敏捷性。”2018 年9 月，在對福特 Focus TopGear的評價中，稱之為同級車中最好的駕駛體驗(yàn)，并說:“Focus 讓人感覺到敏捷、尖銳、靈巧而且實(shí)際上很有。Adams的車輛動力學(xué)仿真在新型懸架設(shè)計的開”發(fā)中起著不可或缺的作用。
扭梁式懸架系統(tǒng)是半獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，最常用于后輪。它結(jié)合了非獨(dú)立和獨(dú)立懸架的特點(diǎn)，允許車輪像獨(dú)立懸架一樣發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)，也像非獨(dú)立懸架一樣允許車輪對另一側(cè)車輪產(chǎn)生影響。
扭梁式懸架包含兩個連接在底盤和車輪上的縱臂。連接這兩個縱臂的是一個扭力梁，形成典型的H形懸架結(jié)構(gòu)，如圖1。H 形結(jié)構(gòu)的前部通過橡膠襯套連接到車身，如圖2。當(dāng)一側(cè)車輪受到?jīng)_擊時，扭力梁會發(fā)生扭曲 ，吸收并減少了一部分傳遞到對側(cè)輪的沖擊。與多連桿懸掛相比，扭梁式懸掛具有多個優(yōu)點(diǎn)，例如高效的布置空間、較低的重量和成本。但是，它也具有一些可能影響客戶乘坐和舒適度的缺點(diǎn)。
圖1 : 扭梁式懸架俯視圖
圖2 : 扭梁式懸架側(cè)視圖
如圖2所示，扭梁式懸架中的輪心位于襯套后方。這導(dǎo)致車輪隨著車輛行駛而向前反彈。具有扭梁式懸架的車輛還表現(xiàn)出過度轉(zhuǎn)向的情況，即汽車的后部在轉(zhuǎn)彎時向外滑移（圖3）。轉(zhuǎn)彎過程中的過度轉(zhuǎn)向效應(yīng)是由輪胎收到側(cè)向力后產(chǎn)生的 toe-out 效應(yīng)引起的，即輪胎的前部與后部相距較遠(yuǎn)。
展開 摘 要：介紹了在ADAMS 環(huán)境下建立扭桿梁式半獨(dú)立懸架的等效多體動力學(xué)模型和柔性體－剛
體模型的方法，對兩種模型進(jìn)行了以定位參數(shù)變化為目標(biāo)的懸架動力學(xué)仿真分析，并探討了兩種建
模方法的特點(diǎn)。同時通過試驗(yàn)對兩種建模方法的有效性和可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。該文所做的工作為轎
車扭桿梁式半獨(dú)立懸架的建模提供了新的方法，也為進(jìn)一步的整車動力學(xué)建模和仿真以及輪胎不均
勻磨損的研究打下了一定的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：扭桿梁式半獨(dú)立懸架；仿真；動態(tài)特性，ADAMS
扭轉(zhuǎn)梁式半獨(dú)立懸架建模與動態(tài)特性分析.pdf
展開 優(yōu)化方法如下：
圖5 自動化優(yōu)化流程
Fig.5 Automatic optimization flow
3 扭轉(zhuǎn)梁優(yōu)化最優(yōu)結(jié)構(gòu)
通過DOE優(yōu)化，得到了形狀和尺寸變量最優(yōu)解，其結(jié)果如表2所示：
表2 參數(shù)最優(yōu)解
Table.2 Parametric optimized value
如圖6中原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)對比圖所示，紅色部分為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，藍(lán)色部分為原結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)橫梁兩端抬高，更強(qiáng)的抗扭能力有效降低橫梁應(yīng)力，耐久性能更優(yōu)。相較于傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)梁優(yōu)化設(shè)計流程，設(shè)計周期從3周減少為2天，縮短了90%的優(yōu)化周期，極大地提升了扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計的周期與效率。
圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)對比圖
Fig.6 Base and optimized structure diagram
4 最優(yōu)參數(shù)性能驗(yàn)證
扭轉(zhuǎn)梁性能要求主要包括操穩(wěn)及耐久性能。其中操穩(wěn)對扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)件的要求可以分解到剛度要求上，剛度主要包括扭轉(zhuǎn)剛度、縱向剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度、彈簧安裝點(diǎn)剛度、減震器安裝點(diǎn)剛度。而扭梁扭轉(zhuǎn)剛度和彈簧剛度決定了扭轉(zhuǎn)梁后懸架的側(cè)傾剛度，側(cè)向剛度決定了后懸架的橫向剛度。
從表3中性能結(jié)果表可見，包括扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度、彈簧安裝點(diǎn)剛度、減震器安裝點(diǎn)剛度全部滿足目標(biāo)值。
表3 性能結(jié)果表
Table.3 Function result
優(yōu)化方案的試制樣件，經(jīng)過臺架考核后，可以看到試驗(yàn)結(jié)果均滿足20萬次的目標(biāo)值，如表4和圖7所示。因此，該優(yōu)化方案可以同時滿足低頻扭轉(zhuǎn)耐久壽命要求。
展開 以簡化模型為基礎(chǔ)，分別得到了連接點(diǎn)襯套剛度優(yōu)化、扭梁增加吸振器、扭梁本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等優(yōu)化效果，每一輪分析均在5分鐘以內(nèi)可完成，大大減少了尋找方向的時間。
基于混合建模技術(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化，使得多種方案的驗(yàn)證成為可能，通過多輪優(yōu)化后，最終對后扭梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)修改。在整車模型中對最終方案進(jìn)行了一輪仿真驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新方案不僅使得路噪結(jié)果在關(guān)心頻率降低了3dB，同時結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得后懸架重量也降低2.5Kg，達(dá)到了CAE指導(dǎo)設(shè)計的目的。
在項(xiàng)目開發(fā)過程中，混合建模技術(shù)可以充分利用現(xiàn)有的仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整車NVH快速分析及優(yōu)化，預(yù)防、解決車型本身存在的問題，節(jié)省開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期、提高整車NVH性能。
6 總結(jié)
Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)將西門子數(shù)字工業(yè)軟件多年成熟的工程測試技術(shù)與CAE仿真技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮了實(shí)物試驗(yàn)和虛擬仿真各自的優(yōu)勢，不僅使得仿真速度更快，而且使得仿真結(jié)果更加精確可靠。
Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)的投資回報，不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品更快地投放市場和節(jié)約開發(fā)費(fèi)用等方面，而且體現(xiàn)在改進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量，提出了新的產(chǎn)品開發(fā)模式。
下載地址：Simcenter 3D多體動力學(xué)及疲勞仿真應(yīng)用
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扭梁的最新內(nèi)容
A4：對于受力點(diǎn)較多的零件，建議做系統(tǒng)級臺架試驗(yàn)，例如副車架、扭梁等產(chǎn)品，可以使用二分之一懸架做系統(tǒng)級試驗(yàn)，其優(yōu)勢在于，我們只需要對輪心載荷進(jìn)行Block轉(zhuǎn)化即可，而無需對零件的接附點(diǎn)進(jìn)行逐個轉(zhuǎn)化，可以極大降低我們進(jìn)行Block轉(zhuǎn)化的難度。
與多連桿懸掛相比，扭梁式懸掛具有多個優(yōu)點(diǎn)，例如高效的布置空間、較低的重量和成本。但是，它也具有一些可能影響客戶乘坐和舒適度的缺點(diǎn)。
圖1 : 扭梁式懸架俯視圖
圖2 : 扭梁式懸架側(cè)視圖
如圖2所示，扭梁式懸架中的輪心位于襯套后方。這導(dǎo)致車輪隨著車輛行駛而向前反彈。
以簡化模型為基礎(chǔ)，分別得到了連接點(diǎn)襯套剛度優(yōu)化、扭梁增加吸振器、扭梁本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等優(yōu)化效果，每一輪分析均在5分鐘以內(nèi)可完成，大大減少了尋找方向的時間。
基于混合建模技術(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化，使得多種方案的驗(yàn)證成為可能，通過多輪優(yōu)化后，最終對后扭梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)修改。
二系懸掛由空氣彈簧、抗蛇形減振器（每架四個）、抗側(cè)滾扭桿（枕梁僅一側(cè)設(shè)一個）、二系垂向減振器（每架兩個，構(gòu)架側(cè)梁外側(cè)）、二系橫向減振器、二系橫向緩沖器（或稱二系橫向橡膠止擋）組成。
牽引裝置采用
Z字形雙牽引拉桿，能適應(yīng)車體與轉(zhuǎn)向架間較大的安裝角度差，落車工藝相對容易。
主次梁斜交箍筋設(shè)置（ 16G101-1 P88 ）
4、非抗扭的非框架梁下部縱筋伸入支座圖集要求為12d，現(xiàn)場按錨固長度設(shè)置，將造成鋼筋的浪費(fèi)。
非框架梁下部縱筋設(shè)置 (16G101-1 P89)
5、梁洞口周圍未布置鋼筋。規(guī)范嚴(yán)禁在梁上開洞，但也不可避免要在梁上開洞，補(bǔ)救措施就是對洞口進(jìn)行加強(qiáng)。
主次梁斜交箍筋設(shè)置（ 16G101-1 P88 ）
4、非抗扭的非框架梁下部縱筋伸入支座圖集要求為12d，現(xiàn)場按錨固長度設(shè)置，將造成鋼筋的浪費(fèi)。
非框架梁下部縱筋設(shè)置 (16G101-1 P89)
5、梁洞口周圍未布置鋼筋。規(guī)范嚴(yán)禁在梁上開洞，但也不可避免要在梁上開洞，補(bǔ)救措施就是對洞口進(jìn)行加強(qiáng)。
為防止箍筋間縱筋向外屈曲而導(dǎo)致保護(hù)層剝落，箍筋間距不宜過大，箍筋最大間距根據(jù)抗扭要求不宜大于梁高的1/2且不大于400mm，也不宜大于抗剪箍筋的最大間距。箍筋的直徑不小于8mm，且不小于1/4主鋼筋直徑。
9. 矩形截面鋼筋混凝土受扭構(gòu)件的開裂扭矩，只能近似地采用理想塑性材料的剪應(yīng)力圖形進(jìn)行計算，同時通過試驗(yàn)來加以校正。
10.
而五菱工業(yè)對于零部件生產(chǎn)技術(shù)不斷鉆研和精進(jìn)的態(tài)度，也使得公司前瞻性地對標(biāo)了國際一線產(chǎn)品的功能及安全設(shè)計，于2020年建成了國內(nèi)首條超高強(qiáng)鋼管熱氣脹成形生產(chǎn)線，攻克了管件熱氣脹等核心技術(shù)，應(yīng)用在底盤結(jié)構(gòu)件（如扭梁、副車架等零件）、側(cè)圍加強(qiáng)件等產(chǎn)品中，不僅在汽車輕量化上邁出了重要一步，也有效解決了偏置碰撞安全需求。
行業(yè) :汽車
挑戰(zhàn) :如何減輕汽車后扭懸架梁系統(tǒng)的重量，同時提高其耐久性。
Altair 解決方案 :制定一套HyperWorks系列中的自定義工具,消除最初的“反復(fù)試錯”的設(shè)計循環(huán)。
優(yōu)點(diǎn) :縮短生產(chǎn)周期，同時生成具有競爭力的、低成本、低重量的后扭懸架梁。
例：在梁下部縱筋處另注寫有*6B18時，則表示該跨梁兩側(cè)各有3B18的抗扭縱筋。梁編號由梁類型代號、序號、跨數(shù)及有無懸挑代號組成，應(yīng)符合下表的規(guī)定。
梁類型代號：
1、梁類型
注：(XXA)為一端有懸挑，(XXB)為兩端有懸挑，懸挑不計入跨數(shù)。
例：KL7(5A)表示第7號框架梁，5跨，一端有懸挑；
L9(7B)表示第9號非框架梁，7跨，兩端有懸挑。
