基于Hyperworks 的某車型托臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

強(qiáng)昆侖，李友均，鄭德偉

（東風(fēng)鍛造有限公司鑄造二廠，湖北 十堰 442000）

關(guān)鍵字：托臂梁；有限元；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；鑄造工藝

托臂梁屬于機(jī)動(dòng)車空氣懸架的一個(gè)重要零件，其中部通過蓋板和螺栓與驅(qū)動(dòng)橋固定連接，其兩端各自與安置在車架上的一個(gè)空氣彈簧相連接，主要承擔(dān)著從車架傳遞到驅(qū)動(dòng)橋和輪胎上的各種力和力矩。空氣懸架與驅(qū)動(dòng)橋的連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示，空氣彈簧2 上端與車架1 連接，下端與托臂梁4 連接，下蓋板6 與驅(qū)動(dòng)橋7 通過焊接方式連接，上蓋板3 與托臂梁4 對(duì)應(yīng)設(shè)有螺栓安裝孔，從上至下順次安置的上蓋板3、驅(qū)動(dòng)橋7、下蓋板6 以及托臂梁4 通過穿過蓋板3 和托臂梁4 上螺栓安裝孔的直螺栓5 固定在一起。

某車型QT800-5 材質(zhì)的托臂梁試制開發(fā)過程中，臺(tái)架試驗(yàn)未通過，在有限元分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，最終達(dá)到用戶的技術(shù)要求，取得較好的優(yōu)化效果。

1 托臂梁第一版試制結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.1 結(jié)構(gòu)確認(rèn)及試制

客戶提供的托臂梁原始產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖2，圖3為托臂梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)，圖3a）所示區(qū)域無法起型，不符合鑄造工藝要求，所以對(duì)此局部區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微改，如圖3b）所示，將該處拉直，便于起型。

圖2 托臂梁原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖3 托臂梁第一處結(jié)構(gòu)改進(jìn)

同時(shí)，根據(jù)之前類似托臂梁的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，圖4a）所示結(jié)構(gòu)在之前類似零件臺(tái)架試驗(yàn)過程中在該處出現(xiàn)過斷裂，從分析結(jié)果來看該處存在應(yīng)力集中，所以對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，將圖4a）中所示筋取消，改為φ106 的圓弧，增加強(qiáng)度，消除應(yīng)力集中，改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖4b）所示。

圖4 托臂梁第二處結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.2 初版試制結(jié)構(gòu)臺(tái)架試驗(yàn)

1.2.1 托臂梁垂向加載耐久性試驗(yàn)

1）軸荷：與托臂梁連接的橋設(shè)計(jì)軸荷Gw，kN；

2）垂向載荷P：是托臂梁所承受的垂向載荷，P=2.5·Gw/2，單位kN；

3）托臂梁長(zhǎng)臂載荷P1、托臂梁短臂載荷P2：P1+P2=P，且滿足P1·X1=P2·X2.

將托臂梁與橋連接端按實(shí)車裝配方式固定，左右氣囊連接端分別通過夾具與加載頭連接，長(zhǎng)臂和短臂載荷范圍分別為：0.1P1～P1 和0.1P2～ P2，加載波形為2 Hz 的正弦波。托臂梁實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)加載實(shí)驗(yàn)見圖6.

圖5 托臂梁實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)加載實(shí)驗(yàn)

1.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

托臂架按第一版改進(jìn)結(jié)構(gòu)鑄造生產(chǎn)后，由鑄造廠提供的三件托臂梁總成，按2.5 倍設(shè)計(jì)載荷在臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，均不滿足“疲勞壽命不低于60 萬次”的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。托臂梁臺(tái)架加載試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

2 第一版結(jié)構(gòu)斷裂原因CAE 分析

2.1 邊界條件及載荷

約束條件：托臂梁平板位置四個(gè)安裝孔的縱向、橫向、垂向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。工況載荷：短端力的大小為77 700 N，方向豎直向下；長(zhǎng)端力的大小為63 400 N，方向豎直向下。

2.2 有限元模型

鑄件的材質(zhì)選用QT800-5，材料的力學(xué)性能和物理性能見表2，鑄件有限元分析模型見圖7.為了較好反應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和合理的計(jì)算精度，合理進(jìn)行網(wǎng)格化分，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小控制在4 mm，然后對(duì)鑄件進(jìn)行CAE 分析。

表2 QT800-5 材料的力學(xué)性能和物理性能

圖7 第一版結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2.3 CAE 分析結(jié)果

鑄件CAE 分析結(jié)果見圖8，原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在下面兩個(gè)固定孔周圍，在3 個(gè)減重孔拐角處也均有應(yīng)力集中，其中在斷裂位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為348 MPa.根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，斷裂大多發(fā)生在應(yīng)力集中的地方，不一定是應(yīng)力最大的區(qū)域，該件斷裂處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以推斷斷裂處存在應(yīng)力集中，應(yīng)該是該件斷裂的最主要原因，下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向在降低該處應(yīng)力、消除該處應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖8 鑄件CAE 分析結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 托臂架第二版試制結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要有兩種手段，一種是通過拓?fù)鋬?yōu)化確定最佳結(jié)構(gòu)，另外一種為在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，再通過有限元手段進(jìn)行校核來確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)，所以托臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要通過這兩種方式來進(jìn)行。

3.1.1 方案一：通過拓?fù)鋬?yōu)化來尋找最佳結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化是在一定的空間區(qū)域中，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下尋求最合理材料分布的優(yōu)化方法，采用OptiStruct 模塊進(jìn)行優(yōu)化，通過設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束函數(shù)等實(shí)現(xiàn)托臂梁的材料最合理化，達(dá)成產(chǎn)品重量減輕，剛度不降低，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平不升高的目的。

將原模型的斷裂位置局部空間進(jìn)行填充，并分成設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域兩部分。如圖9 所示，拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域外為非設(shè)計(jì)區(qū)域。

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化模型

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品的鑄造工藝、裝配性能以及過往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品重新進(jìn)行建模，并對(duì)新模型進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖10 所示，斷裂位置應(yīng)力降低為288 MPa，與第一版試制結(jié)構(gòu)相比，在重量基本沒有變化的情況下，應(yīng)力下降17%.

圖10 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)CAE 分析結(jié)果

3.1.2 方案二：在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化

在初版試制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)CAE 分析結(jié)果，對(duì)應(yīng)力較大的區(qū)域增加材料，應(yīng)力較小的區(qū)域去除材料。通過數(shù)次結(jié)構(gòu)更改及校核，最終通過去除3個(gè)產(chǎn)生應(yīng)力集中的減重孔，對(duì)應(yīng)力較小的筋和壁厚進(jìn)行減薄等方式，確定該方案結(jié)構(gòu)，該方案結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

圖11 鑄件三維模型

優(yōu)化后鑄件重量為37.32 kg，最大應(yīng)力為546.2 MPa，斷裂處最大應(yīng)力183 MPa，應(yīng)力分析結(jié)果如圖12 所示。

圖12 方案二CAE 分析結(jié)果

3.2 方案確定

從重量、最大應(yīng)力、斷裂位置最大應(yīng)力以及優(yōu)缺點(diǎn)四個(gè)方面對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比，具體如表3 所示。

表3 方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案二重量有所減少，最大應(yīng)力和原方案基本相當(dāng)，斷裂位置應(yīng)力明顯下降，三個(gè)減重孔的去除基本上消除了應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，最重要的是方案二模具修改簡(jiǎn)單，在項(xiàng)目時(shí)間有限的情況下，能明顯縮短模具修改周期。故最終選擇方案二來進(jìn)行第二輪試制件開發(fā)。

3.3 第二版試制結(jié)構(gòu)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

托臂梁按第二版改進(jìn)結(jié)構(gòu)鑄造生產(chǎn)后，所提供的兩個(gè)改進(jìn)方案的托臂梁總成，按2.5 倍設(shè)計(jì)載荷在臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，滿足“疲勞壽命不低于60 萬次”的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，其中方案二優(yōu)化效果最優(yōu)，模具改進(jìn)較小，確定為批量生產(chǎn)的優(yōu)化方案。

總結(jié)前期試制階段數(shù)據(jù)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，固化工藝，該款托臂梁已在我廠HWS 線現(xiàn)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，確定了HWS 線1 型4 件（左右各兩件）生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)的托臂梁鑄件實(shí)物見圖13.

圖13 托臂梁鑄件實(shí)物

4 結(jié)論

對(duì)某車型托臂梁進(jìn)行有限元分析，分析臺(tái)架試驗(yàn)斷裂原因。從斷裂原因入手，通過拓?fù)鋬?yōu)化和在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化兩種方式，找到兩種解決方案，并全方位對(duì)比方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終找到符合生產(chǎn)制造實(shí)際的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，樣件順利通過臺(tái)架試驗(yàn)。

試驗(yàn)證明，基于Hyperworks 的托臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大限度利用現(xiàn)有模具，降低制造成本，縮短生產(chǎn)周期，為我廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化積累經(jīng)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。