汽車輕型前橋殼工業(yè)再設(shè)計(jì)案例

每一位工程師在因循傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品研制時(shí)，腦海里總會(huì)有一些天馬行空的想法，現(xiàn)實(shí)與理想的差距，讓他們漸漸遺忘了承載著自己科學(xué)家夢想的大膽設(shè)想。但科技的偉大正在于，它能把這些想法變成現(xiàn)實(shí)。事實(shí)上，在微軟和Google等科技巨頭的組織架構(gòu)中，都有一個(gè)特別的部門，專職負(fù)責(zé)把科幻小說里的東西變成現(xiàn)實(shí)。

今年8月，安世亞太公司與蘇氏集團(tuán)結(jié)為戰(zhàn)略聯(lián)盟，推出工業(yè)再設(shè)計(jì)新戰(zhàn)略，集合雙方優(yōu)勢資源和能力，將成熟的工程仿真技術(shù)、工業(yè)品再設(shè)計(jì)方法與精密鑄造工藝結(jié)合，成為安世亞太向“深入服務(wù)工業(yè)企業(yè)”邁進(jìn)的重要一步。而其“‘無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造為前提的工業(yè)再設(shè)計(jì)”概念和“仿真引領(lǐng)工業(yè)再設(shè)計(jì)”的氣魄，立即吸引了業(yè)界廣泛關(guān)注，是噱頭，還是新突破？為什么是安世亞太恰逢其時(shí)地準(zhǔn)確對話《中國制造2025》？

首先，工業(yè)品再設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)通常有三種渠道：

渠道一，是基于原始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，通過對結(jié)果的判斷，并利用設(shè)計(jì)者既往經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)品的再設(shè)計(jì)。這一方式趨于傳統(tǒng)，對設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)水平的要求較高。

渠道二，是基于原始設(shè)計(jì)結(jié)果和分析結(jié)果，人為地對仿真計(jì)算效果進(jìn)行分析，判斷哪些地方較弱，需要加強(qiáng)；而哪些地方可以進(jìn)一步改進(jìn)。因此，這需要設(shè)計(jì)者有豐富的仿真分析經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。

渠道三，是基于先進(jìn)手段，利用拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等技術(shù)，形成最優(yōu)方案。這是再設(shè)計(jì)的最佳方式，也是未來實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)的重要突破渠道。

由此可見，無論選擇任一渠道，若想跳脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)束縛，突破既有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，工程仿真至關(guān)重要，它將引領(lǐng)未來工業(yè)再設(shè)計(jì)進(jìn)程。安世亞太20年工程仿真技術(shù)的探索歷程，20年各多行業(yè)多領(lǐng)域多學(xué)科的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也將厚積薄發(fā)，一朝怒放！巨大能量井噴的誘發(fā)者，正是蘇氏集團(tuán)“精密鑄造技術(shù)”。

長期以來，工業(yè)品的設(shè)計(jì)受制于工藝加工技術(shù)，因此工程師們不會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)無法或不值得加工和量產(chǎn)的產(chǎn)品。正因?yàn)榧庸ず桶惭b方面有不可突破的障礙，使得當(dāng)前的產(chǎn)品必須由大量的零部件裝配而成。這種非必要但不得已的裝配形態(tài)，對產(chǎn)品的性能、可靠性、重量、體積、載重、材料、動(dòng)力、成本、能耗和環(huán)保等方面都具有負(fù)面影響。蘇氏一體化精密鑄造“無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造”的創(chuàng)新性工藝釋放了設(shè)計(jì)潛能，為工業(yè)品研制打開了一扇巨大的窗戶，為產(chǎn)品創(chuàng)新和質(zhì)量的提升提供了無限空間。

那么，工業(yè)再設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)“將設(shè)計(jì)回歸需求本源”和“無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造”？本文中輕型前橋殼再設(shè)計(jì)案例，清晰完整地展示了從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)到加工制造的全過程，將工業(yè)再設(shè)計(jì)過程完整地呈現(xiàn)出來。

一、項(xiàng)目背景

驅(qū)動(dòng)橋殼是底盤中最主要的承載部件，又是汽車運(yùn)動(dòng)主要傳力部件，同時(shí)還是驅(qū)動(dòng)橋等其他總成（主減速器、差速器和半軸等）的外殼，起到安裝支撐和保護(hù)作用。驅(qū)動(dòng)橋殼的剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命是設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮的重要指標(biāo)。而傳統(tǒng)前橋殼具有多零件、多焊縫和多連接的特點(diǎn)。因此產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度、螺栓連接強(qiáng)度等都成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，而近百個(gè)零部件和焊縫的存在，無疑為產(chǎn)品質(zhì)量的保證帶來巨大壓力。

某汽車制造企業(yè)在長期研制和大量實(shí)踐后也發(fā)現(xiàn)，一方面，軍用車輛戰(zhàn)技指標(biāo)中，重量嚴(yán)重制約其作戰(zhàn)使用效率和功能，減重是設(shè)計(jì)不懈追求的目標(biāo)；另一方面，設(shè)計(jì)和鑄造水平無法支撐時(shí)，用優(yōu)質(zhì)鋼板機(jī)械成型后再焊接為整體部件是前橋殼采用的較好工藝手段，缺陷是設(shè)計(jì)和工藝受限，無法減重，同時(shí)也由于零部件數(shù)量多，焊縫多，還常出現(xiàn)焊接過程變形等問題。如何實(shí)現(xiàn)前橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的突破？

二、解決方案

結(jié)合用戶企業(yè)需求，采用工業(yè)再設(shè)計(jì)方法：在精密成型工藝的保證下，利用拓?fù)鋬?yōu)化方法對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，放空設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范限制，從前橋殼結(jié)構(gòu)需求本身出發(fā)，對前橋殼進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。精密成型工藝與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合，優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)。

打破束縛，拓寬前橋殼的優(yōu)化空間。

利用一體化成型精密鑄造工藝，生產(chǎn)成形橋殼，非沖焊橋殼，可以忽略焊接及其他連接的影響。

在精密鑄造技術(shù)“不論多復(fù)雜都可以制造”的技術(shù)優(yōu)勢保證下，只要合理設(shè)計(jì)即有制造加工的可能。

1.拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化一般有三大方法：變厚度法、變密度法及均勻化方法，結(jié)合前橋殼結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，又包括：剛度、靜強(qiáng)度、疲勞與斷裂、固有頻率和振動(dòng)。無論采用何種優(yōu)化算法、力學(xué)指標(biāo)或試驗(yàn)類型，最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式只考慮到結(jié)構(gòu)的性能。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需要滿足制造工藝、裝配關(guān)系等設(shè)計(jì)要求，需要在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模糊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供的是一個(gè)取值范圍，更利于后續(xù)設(shè)計(jì)。

安世亞太的工程專家和仿真專家，結(jié)合多年在專業(yè)領(lǐng)域的工程咨詢和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，基于對企業(yè)產(chǎn)品和客戶需求的充分了解，制定詳細(xì)拓?fù)鋬?yōu)化方案：使用GENESIS StructuralOptimization工具，對前橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得剛度下降，位移增大，但根據(jù)QC/T534-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)》的規(guī)定，剛度和強(qiáng)度指標(biāo)依舊在可通過范圍內(nèi)。拓?fù)鋬?yōu)化可行，減重50%。

2.仿真分析與試驗(yàn)

基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對前橋殼模型進(jìn)行了完整全面的仿真分析和方案比對。組合應(yīng)用Space Claim和ANSYS軟件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和幾何前處理。按照QC/T533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》規(guī)范要求，進(jìn)行邊界條件設(shè)定和載荷計(jì)算。并通過材料影響分析，前橋殼由材料鑄鋼替換為鑄鋁（ZL114A）。

在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)邊界約束影響分析時(shí)，采用簡支支撐邊界條件。這是汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)通常采用的約束情況，并進(jìn)行了現(xiàn)場臺(tái)架試驗(yàn)。

3.精密成型

借助SIIC技術(shù)，采用精密成型工藝，把幾十個(gè)鋼板材零件焊接的前橋殼本體集成，用熔模精密鑄造技術(shù)整體成型為1個(gè)鋁質(zhì)零件，實(shí)現(xiàn)前橋殼的輕量化設(shè)計(jì)和制造。

此外，需要強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)前橋殼整體強(qiáng)度分析結(jié)果，精密鑄造工藝能夠在鑄造過程中，通過材料密度和厚度等，調(diào)整前橋殼不同位置的強(qiáng)度，進(jìn)而有效保證了前橋殼的整體強(qiáng)度和質(zhì)量。

三、客戶價(jià)值

目前市場上普通前橋殼由多達(dá)上百個(gè)零部件構(gòu)成，即使悍馬前橋總成，最終也包含40多個(gè)零部件。國內(nèi)某汽車制造企業(yè)，甚至曾投入數(shù)億資金，力圖縮減前橋殼零部件數(shù)量，減少焊縫，但最終也并未達(dá)到預(yù)期效果。

因此，該項(xiàng)目成功地打破了我國汽車前橋殼設(shè)計(jì)和研制的傳統(tǒng)束縛，避免了前橋殼由于零部件數(shù)量多和焊縫多等因素帶來的諸多質(zhì)量隱患，通過一體化成型技術(shù)，將零部件數(shù)量化繁為簡，提高了前橋殼的整體強(qiáng)度。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)和精密成型工藝加工制造，新的前橋殼整體重量減輕了60%左右。按照每個(gè)前橋節(jié)省材料費(fèi)250元，我國汽車年產(chǎn)量3000萬臺(tái)以上計(jì)算，每年僅汽車行業(yè)就能節(jié)省材料費(fèi)用數(shù)十億元。endprint