基于鑄造缺陷和結構強度CAE的平衡懸架支架輕量化設計

張建振 吳曉濤 劉兆英 常連霞 朱 明

（1.中國第一汽車股份有限公司技術中心；2.云南省公安消防總隊）

1 前言

平衡懸架支架作為支撐件，承受來自路面的垂直載荷和推力桿的縱向橫向復合載荷，屬于懸架系統中的保安件。受支架設計階段鑄造技術和加工能力的限制，國內的平衡懸架支架普遍比國外的質量重。目前隨著國內新材料、新工藝不斷應用，平衡懸架支架成為各廠家爭相輕量化的焦點之一。

目前設計人員采用ABAQUS、Hyperworks等軟件輔助輕量化方案設計，而鑄造企業利用鑄造仿真軟件進行鑄造工藝優化設計，兩者是分開進行的[1]。產品結構輕量化設計與鑄造工藝方案設計之間缺乏有效溝通，尤其是結構CAE分析時通常基于理想的無缺陷模型，并沒有考慮鑄造工藝潛在的縮松縮孔缺陷，孤立的結構CAE分析勢必帶來極高的產品使用風險[2]。為了降低該風險，本文采取鑄造CAE和結構CAE分析協同方式進行設計。

2 支架輕量化的可行性方案

支架輕量化采用傳統設計方法時，經常會出現因與制造脫節導致反復修改而耽誤開發進度，甚至產品質量不過關的現象。由于能夠徹底根除傳統設計弊端，面向制造與裝配的產品設計（DFMA）在國外廣泛應用，近幾年才開始在中國應用。本次設計也是基于DFMA方法中的有關原則[3]，通過以下途徑來實現輕量化的目標：

a. 將原有支架和軸組合改成支架軸一體。該措施能夠使支架軸連接區域的質量有效減輕，同時減少零件數目，降低零件的綜合成本。

b. 優化零件結構，降低機械加工成本。通過結構強度和鑄造工藝來減輕結構質量，通過優化機械加工空間以便選擇簡單機械加工工藝。

c. 提升零件可靠性。參考原有支架的故障率及損壞模式，將原有薄弱位置適當加強，提高壽命。

d. 減少裝配工序和裝配時間，降低裝配成本。合理選擇公差設計，降低機械加工難度，提高機械加工效率，如采用相同直徑的孔等。

e. 合理檢測，降低產品不良率。設計階段應用紅黃綠模型方法實現設計師-鑄造廠家之間的互相檢查，以保證鑄造結構的制造性和成本合理性；同時在設計圖紙中明確規定支架危險區域的材料指標，以保證產品的制造質量。

f. 合理選擇材料及工藝。選用高強度高延伸率的球墨鑄鐵，進行薄壁件設計。

通過以上措施，初步估算結構質量能減輕40%，成本大約降低10%。

3 平衡懸架支架前期概念設計

拓撲優化的最大優點是能在結構拓撲形狀未定的情況下，根據給定的設計空間找出最佳的材料分布。該方法在支架前期設計[4]中應用較多，其中合肥工業大學的石作維等人利用Hyperworks對平衡軸支架進行拓撲優化設計，達到了很好的效果[5]。本文將利用Altair Optistruct拓撲優化應用到平衡懸架支架的輕量化前期設計中，采用約束體積解決系統最小柔度問題。

3.1 拓撲優化方法

在各種拓撲優化方法中，比較有代表性的為均勻化方法和變密度法，這也是Altair Optistruct在拓撲優化中所使用的方法。

變密度法的基本思想是人為引入一種假想的密度可變材料，其物理參數與材料密度之間的關系是人為假定的。本文利用變密度法進行優化，采用載荷作用下結構的柔度最小（即應變能最小）作為優化的目標函數，其約束為待優化區域的總體積。優化設計的數學模型可表達為：

最小化：

式中，X=（x1，x2，···，xn）是設計變量；f（X）為目標函數；g（X）、h（X）為約束函數；為 Xi的下限；為Xi的上限。

3.2 支架拓撲優化

利用Altair Optistruct軟件對支架進行拓撲優化分析，計算時準備數據如下。

模型空間:除與其它件連接位置之外的支架其余部分填充形成的空間;優化工況為垂直工況，支架有限元模型及加載示意如圖1所示；邊界：對車架縱梁兩端施加固定約束，對橫梁縱向對稱面施加縱向對稱約束；載荷：平衡軸線與板簧中心面交點處加最大垂直載荷（源于載荷譜）；優化目標：系統柔度（應變能）最小；約束：支架的體積為原體積的30%；計算所需材料性能數據如表1所列。

表1 計算用材料特性

從拓撲優化密度云圖（圖2）可以看出，深灰色部分為結構中必須保留的部分，淺灰色區域為需要考慮刪減的區域，而中間空白區域為優化設計時可以減少材料的部分。基于此對初步設計的優化結構進行進一步的鑄造模擬和結構強度模擬。

4 兼顧鑄造工藝的結構強度設計

由于鑄造過程中縮孔縮松缺陷的存在，可能會產生很大的局部應力集中和應力再分配，進而影響抗疲勞性能。隨著局部縮孔縮松缺陷的增大，其引起的局部應力集中也會增大，從而產生局部塑性變形和微裂紋現象，最終導致失效[6]。AchimEgner Walter博士[7]指出，鑄造件的微觀組織和孔隙率以及鑄造工藝殘余的應力狀態會對零件可靠性產生重大影響，需要將鑄造工藝模擬結果（含縮孔、鑄造應力等缺陷）導入并迭加到結構強度軟件計算出的工作應力中進行可靠性分析，以預測含缺陷鑄件在各種工況下的安全系數。

考慮到目前鑄造模擬結果不具備導入結構CAE的條件，采用將結構CAE分析預測的危險斷面與鑄造CAE分析的缺陷位置進行比較的方法，如果兩者位置靠近或重疊，則斷面出現失效的可能性較大，需重新調整結構方案或鑄造工藝方案。

4.1 結構鑄造工藝分析

利用MAGMA軟件進行鑄造工藝分析，其模擬結果如圖3所示。可知，輕量化支架結構缺陷區域數量有所減少，并且在最可能出現斷裂的軸上部現縮孔縮松的幾率遠小于未輕量化支架。針對鑄造模擬中存在的軸部位的熱節，通過改動局部結構和改善鑄造工藝系統等措施彌補，經過整體支架X射線探傷，沒有發現鑄造缺陷。

4.2 基于鑄造工藝模擬結果的結構CAE對比分析

4.2.1 基于鑄造模擬結果的支架結構改進

結合輕量化支架鑄造模擬結果和鑄造廠家的結構改進建議，對可能出現縮孔縮松缺陷的關鍵區域進行局部改進，主要從5方面進行設計：

a. 簡化傳力路徑，提高材料利用率；

b. 將不易加工內孔端倒角直接鑄出，替代機械加工倒角方式，提高機械加工效率；

c. 過渡結構采用圓弧自然過渡，降低應力集中；

d. 直筋改圓弧筋，降低筋根部的應力集中；

e. 多筋少面處理，降低鑄造缺陷。

經改進后的輕量化支架與未輕量化支架結構對比如圖4所示。

4.2.2 輕量化支架后期驗證

利用ABAQUS軟件、FEMFAT對輕量化支架進行強度及安全系數分析。垂直工況下輕量化支架應力云圖如圖5所示。結果表明，輕量化支架雖然應力提高了30MPa，但由于材料強度高，導致最終安全系數比原有支架提升30%，同時質量減輕40%，成本降低5%（表2）。

表2 支架輕量化前、后對比

隨機抽取兩種支架各3個進行臺架垂直疲勞對比試驗，可知輕量化支架最低疲勞次數是未輕量化支架的1.5～1.8倍, 輕量化支架斷裂形式如圖6所示。同時搭載支架進行可靠性道路試驗的整車行駛2×104km，運行狀況良好。因此,可以證明支架輕量化設計是成功且可靠的。

5 結束語

根據低成本輕量化原則論證支架輕量化的可行性，采用拓撲優化、鑄造工藝模擬和結構強度CAE分析協同進行的方式進行支架的輕量化設計。后期臺架試驗表明，采用該方式能夠有助于提高產品質量、縮短產品周期、降低產品成本。

1 朱顏.CAE技術在汽車輕量化設計中的應用.農業裝備與車輛工程,2008（10）:31～34.

2 張建振，常連霞，馬文松.平衡懸架失效模式與影響的有限元分析.汽車設計，2009（10）：9～12.

3 鐘元.面向制造和裝配的產品設計指南.北京：機械工業出版社,2011.

4 楊樹凱，朱啟昕，吳仕賦.基于有限元技術的汽車支架拓撲優化設計研究.汽車設計，2006（3）：16～18.

5 石作維，居剛，呂新生，等.基于Hyperworks的平衡軸支架拓撲優化設計.計算測量與控制，2009，17（1）：78～82.

6 Nadot Y,Mendez J,Ranganathan N.Influence of casting defects on the fatigue limit of nodular cast iron.International Journal of Fatigue,2008,30:989～995.

7 Dr.Achim Egner-Walter.Gieβsimulation als Werkzeug zur Vorhersage lokaler Bauteileigenschaften.FEMFAT User Meeting，2009..

8 馬波.精鑄件CAE技術集成應用探討.中國精密鑄造年會論文,2011.