某商用車橡膠緩沖塊優化設計

郭長城， 馬驍姣

（一汽通用輕型商用汽車有限公司，長春130000）

0 引言

雙橫臂獨立懸架結構作為一種非常成熟的設計，由于其結構簡單，制造成本低，便于布置安裝等特點，廣泛應用于各種商用汽車上。橡膠緩沖塊一般安裝在下橫臂上，主要起到限制輪胎跳動上限的作用，同時也具有一定的緩沖減振效果。由于橡膠緩沖塊的形狀設計不合理，材質選擇不正確等因素，會造成在實際使用過程中出現損壞的情況。其中影響橡膠緩沖塊壽命的主要因素包括橡膠材質和設計形狀。橡膠材質主要有天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）和聚氨酯（PUR），其中，天然橡膠價格最低，性能最差；聚氨酯橡膠價格最高，耐磨性、耐臭氧性和緩沖效果最好；丁苯橡膠在價格和性能上介于兩者之間。所以從保證使用功能與節約成本的角度，本文橡膠材質選定為丁苯橡膠。橡膠緩沖塊的加工形狀也是多種多樣，主要根據工作環境的不同，受力方向和大小不同，設計不同的形狀，常見的有圓錐形、橢圓形和正方體等形狀。

HyperWorks是由Altair公司設計研發的一款有限元仿真軟件，OptiStruct模塊能夠提供高效的優化設計分析，可以完成尺寸優化，形狀優化和拓撲優化，為汽車零部件的設計開發提供理論依據，得到十分廣泛的應用。

1 OptiStruct拓撲優化簡介

拓撲優化是現今使用最為頻繁、使用效率非常高的設計優化手段。所謂拓撲優化，又稱作結構布局優化［1］，是結合模型實際受力和約束情況，通過模塊操作對模型施加載荷和約束，并設定優化目標，從而尋求結構最優的優化方案。目前結構優化主要應用在航空、航天、汽車、機械、土木、水利、橋梁、鐵路等諸多領域，幫助解決了結構設計優化、消除應力集中、提高機械性能和使用壽命等很多問題。

拓撲優化設計流程主要包括：三維數模的建立，Hypermesh前處理，設定設計區域、目標函數以及約束條件，并通過OptiStruct中的求解器進行疊加運算，最終得到優化結果文件。目前比較常用的優化方法有：變密度法、均勻法和逐漸結構優化等，其中變密度法應用最為廣泛，變密度法的基本思想是將連續結構體離散為有限元模型，同時以各個單元的密度作為設計變量，假定在密度值為［0，1］的范圍內密度可變材料，將模型的結構優化問題轉變為單元材料的最優分布問題［2］。拓撲優化的設計流程如圖1所示。

圖1 拓撲優化設計流程圖

2 有限元建模

2.1 原設計結構分析

某商用車下橫臂上橡膠緩沖塊的結構為正方體設計，材料為丁苯橡膠。根據其受力情況，為防止應力分布不均出現應力集中現象，該緩沖塊上部設計采用傾斜結構，從而保證橡膠緩沖塊與車架擋板接觸完全。但該設計方案存在結構過于笨重、使用材料過多等缺點，這樣不但造成材料浪費，影響整車成本，同時違反汽車輕量化原則。橡膠緩沖塊三維數模如圖2所示。

圖2 橡膠緩沖塊數模

對原有橡膠緩沖塊通過HyperMesh軟件進行有限元建模分析。首先使用UG軟件建立橡膠緩沖塊三維數模，保證橡膠緩沖塊形狀規則，結構合理。三維數模建立后，導入Hypermesh軟件中，進行網格劃分，并根據實際安裝和受力情況施加約束和外力。由于模型形狀規則，結構簡單，采用四面體網格進行劃分，對計算結果精度不會產生影響，有限元模型網格數是59972。約束模型下端6個自由度，根據橡膠緩沖塊的臺架試驗要求，并考慮橡膠緩沖塊實際受到的沖擊載荷情況，在模型上表面通過剛性RBE2連接施加載荷F=12000 N。觀察應力云圖和應變云圖可知，應變是由受力面向下逐漸減小，且主要變形集中在受力面上，符合橡膠緩沖塊的實際變形情況。同時，由實際使用情況和應力云圖可知，應力主要集中在橡膠緩沖塊的中間受力部位，所以原設計存在可以優化的空間。原設計應力云圖和應變云圖如圖3所示。

圖3 原設計應力云圖和應變云圖

2.2 橡膠緩沖塊拓撲優化分析

本文采用變密度法進行拓撲優化分析，通過OptiStruct模塊設定優化目標Objective為體積最小，并設定了響應、約束和設計變量。通過求解器疊加運算，完成拓撲優化分析［3］。拓撲優化有限元模型如圖4所示。

圖4 拓撲優化有限元模型

2.3 拓撲優化結果分析

通過觀察拓撲優化結果可以看出，材料的紅色區域為非設計區域，該區域原則上必須存在。藍色區域為設計區域，可以根據設計者實際情況進行利用，但是并不意味著藍色區域均可直接刪除。拓撲優化是概念設計階段的一種優化方法，為設計人員提供一種設計思路，拓撲優化結果為橡膠緩沖塊的結構改進提供了理論支撐和方向。在實際的結構優化中，要考慮到模具開發情況、零件的加工情況和工藝安排情況，進行合理設計。拓撲優化結果如圖5所示。

圖5 拓撲優化結果

3 橡膠緩沖塊結構改進

通過拓撲優化結果可以知道，主要承受載荷的部分為紅色區域，也就是主要集中在緩沖塊上部中心位置，以及下部大部分區域，同時側面局部區域也承受載荷。根據這種優化設計思路，對橡膠緩沖塊模型重新進行結構設計。綜合考慮加工和生產工藝需求，應用UG軟件重新設計緩沖塊結構［4］。最終優化后模型如圖6所示。

圖6 優化后模型

對優化后的橡膠緩沖塊模型進行有限元分析，通過觀察應力云圖和應變云圖，優化后的模型完全符合理論設計要求和實際加工要求。優化后的橡膠緩沖塊樣件完成了30萬次的臺架疲勞試驗以及整車道路測試，試驗結果均滿足使用要求。優化后模型應變云圖和應力云圖如圖7所示。

圖7 優化后模型應變云圖和應力云圖

4 結論

通過對橡膠緩沖塊模型的拓撲優化分析，得出分析結論。參考優化結果，重新設計橡膠緩沖塊結構，并對新結構進行有限元分析和試驗驗證，驗證結果表明，新狀態的緩沖塊完全滿足使用要求。

通過對橡膠緩沖塊結構的優化，不但改進了設計，提高橡膠緩沖塊的使用壽命，優化了結構，同時還有效地實現了減輕重量的目的。通過對比可知，原狀態的緩沖塊質量為0.171 kg，新狀態的緩沖塊質量為0.158 kg，單個緩沖塊減重0.013 kg，整車實現減重0.026 kg，由于橡膠緩沖塊質量的減少，加工生產成本相應降低，考慮到該車型整個生產和銷售周期，實現了整車成本的下降，提高了利潤。

［1］ 梁江波，呂景春.基于HyperWorks發動機支架的拓撲優化設計［J］.重型汽車，2009（3）：16－17，39.

［2］ 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于Hyperworks的結構優化設計技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］ 吳中博，李書.基于Optistruct的結構靜力拓撲優化設計［J］.航空計算技術，2006（3）：16-17.

［4］ 朱文正，劉健新.普通橡膠緩沖裝置設計方法研究［J］.廣州大學學報：自然科學版，2006，5（2）：59-62.