搜索基于HyperWorks的車輛板簧支架優(yōu)化設(shè)計
2017-07-04 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1 前言
車輛板簧支架是重型車連接車架與板簧的零件,受到來自板簧方面的載荷,較易受到破壞,所以設(shè)計時對其強度要求較高。
近年來車輛輕量化的呼聲愈來愈高,所以各類鑄件支架等都要求在滿足強度要求的情況下質(zhì)量最小,因此在工程概念設(shè)計初期,非常有必要對其進行優(yōu)化設(shè)計,使得零件材料布置合理,以滿足強度和輕量化要求。
本文以某重型貨車板簧支架為優(yōu)化設(shè)計對象,CAE分析軟件HyperWorks平臺中的solidThinking Inspire工具,以密度法為理論依據(jù)對板簧支架進行拓撲優(yōu)化,并根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果進行詳細數(shù)模設(shè)計。該方法在產(chǎn)品設(shè)計初期可以根據(jù)實際工況快速得到模型拓撲骨架,進而進行詳細設(shè)計,縮短開發(fā)周期,保證產(chǎn)品性能。
2 拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)約束、載荷及優(yōu)化目標(biāo)而尋求結(jié)構(gòu)材料最佳分配的優(yōu)化方法,可采用殼單元或者實體單元來定義設(shè)計空間,并用Homogenization(均質(zhì)化)和Density(密度法)來定義材料流動規(guī)律。一般應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始概念階段。
優(yōu)化設(shè)計有三要素,即設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件,他根據(jù)不同的設(shè)計要求而有所不同。目前常用的連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法有均勻化方法、變密度法和漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。文中采用變密度法進行板簧支架的拓撲優(yōu)化,其基本思想是引入一種假想的密度值在(0~
1)之間的密度可變材料,將連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散為有限元模型后,以每個單元的密度為設(shè)計變量,將結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單元材料的最優(yōu)分布問題。若以結(jié)構(gòu)變形能最小為目標(biāo),考慮材料體積約束和結(jié)構(gòu)的平衡,設(shè)計空間內(nèi)各單元的相對密度為設(shè)計變量,則拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為
式中,Xi{i=1,2,……,n}為設(shè)計變量,C 為結(jié)構(gòu)變形能,F 為載荷矢i量,U 為位移矢量,f 為剩余材料百分比,V 為結(jié)構(gòu)充滿材料的體積;V0為結(jié)構(gòu)設(shè)計域的體積;V1為單元密度小于 Vmax的材料體積,Xmin為單元相對密度的下限,Xmax為單元相對密度的上限, K為剛度矩陣。
在多工況的分析中,對各個子工況的變形能進行加權(quán)求和,目標(biāo)函數(shù)變化為:
式中,Wi為第i個子工況的加權(quán)系數(shù),Ci為第 i 個子工況的變形能。
3 板簧支架優(yōu)化設(shè)計
采用變密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法對該板簧支架進行優(yōu)化設(shè)計。單元相對密度的上下限分別為0.01和1。進行拓撲優(yōu)化時,必須先確定拓撲對象的設(shè)計空間和非設(shè)計空間。設(shè)計空間為需要拓撲優(yōu)化的區(qū)域,也就是設(shè)計變量,而非設(shè)計空間則是在拓撲優(yōu)化過程中結(jié)構(gòu)保持不變的區(qū)域。
3.1 初始設(shè)計空間
在設(shè)計開始之前,設(shè)計師通過創(chuàng)建模型外觀邊界的三維實體構(gòu)思造型, 這個邊界所包含的體積稱為設(shè)計空間, 所有solidThinking Inspire優(yōu)化后的形態(tài)都包含于這個設(shè)計空間里。鑒于板簧支架與車架的安裝連接關(guān)系,以及支架與板簧卷耳的位置和安裝關(guān)系,車輛前板簧后支架的初始設(shè)計空間定義如圖1所示,其中六個小孔為支架與車架的安裝孔,下面兩個大孔為支架與卷耳的安裝空位。
圖1 支架初始設(shè)計空間
3.2 工況定義
由于要考慮到工程實際應(yīng)用,所以必須對部件的工作狀況進行定義,只有這樣,SolidThinking Inspire優(yōu)化出來的結(jié)構(gòu)才能滿足實際工作需要。板簧支架在車輛重載、制動、轉(zhuǎn)彎3種極限工況下,所處工況比較惡劣,也是支架容易發(fā)生破壞的3種工況,所以文章基于這3種工況進行計算和拓撲優(yōu)化。根據(jù)該型車設(shè)計載重情況,板簧支架的3種工況分別為:
a. 重載工況。
車輛在重載狀態(tài)下,受力情況為 Fz=3.24 t。
b. 制動工況。
車輛行進過程中制動,受力情況為 Fz=3.24 t ,Fx=0.35×3.24 t
c. 轉(zhuǎn)彎工況。
車輛在轉(zhuǎn)彎過程中,受力情況為 Fz=3.24 t,Fy=0.2×3.24 t。
其中,3.24 t 為單個板簧支架所承受的來自車輛軸端的載荷,下標(biāo)x、y、z 均為車輛整車坐標(biāo),x 軸正方向為車輛行駛相反方向,z 軸正方向為車輛向上的方向,y 軸向為車輛左右方向。
3.3 約束與載荷
3.3.1 垂向靜態(tài)工況
與車架連接的6個安裝孔約束其3個移動副,3個轉(zhuǎn)動副放開;與卷耳連接的兩個2各施加1.62 t 的載荷,如圖2所示。
圖2 垂向靜態(tài)工況約束與載荷
3.3.3 轉(zhuǎn)彎工況
與車架連接的6個安裝孔約束其三個移動副,3個轉(zhuǎn)動副放開;與卷耳連接的兩個孔各施加z軸正向1.62 t 的載荷,另外施加y 軸負向0.2×3.24 t 載荷,如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)彎工況約束與載荷
3.3.4 形狀約束
板簧支架過卷耳安裝孔中心,在 x 方向左右對稱,設(shè)置該部件在 yz 平面兩側(cè)對稱,如圖5所示。
圖5 x 方向?qū)ΨQ約束
3.4 優(yōu)化設(shè)計
優(yōu)化分析之前,首先定義其設(shè)計空間和非設(shè)計空間,由于各個安裝孔是用來固定支架的,位置和形狀基本不變,所以可優(yōu)化的空間為整個初始設(shè)計空間除安裝孔以外的部分,也就是圖中綠色區(qū)域顯示的部分,將其定義為設(shè)計空間。約束載荷及然后設(shè)置其優(yōu)化目標(biāo),設(shè)置其目標(biāo)質(zhì)量為20%,由于是概念設(shè)計階段,所以材料采用系統(tǒng)默認的AISI 304,其他采用系統(tǒng)默認。根據(jù)之前的優(yōu)化設(shè)置,在HP Z800圖形工作站運行8 min后得到優(yōu)化結(jié)果,優(yōu)化后的概念創(chuàng)意設(shè)計如6圖所示。
圖6 solidThinking Inspire優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)之前solidThinking Inspire優(yōu)化后的概念雛形,結(jié)合支架與車架及板簧的連接關(guān)系,以及零件制造及工藝性的要求,獲得最終結(jié)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計如圖7所示。
圖7 創(chuàng)意設(shè)計結(jié)構(gòu)
4 板簧支架的強度驗證
4.1 有限元模型
文中采用Hypermesh對某重型貨車板簧支架原結(jié)構(gòu)進行四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格全局尺寸選擇5 mm,最終有限元模型共有節(jié)點數(shù)為7 668,實體單元數(shù)為27 268。 該支架材料為鑄鐵QT500-7,彈3 3 性模量E=147 GPa,泊松比為0.3,密度為7.8×10 kg/mm ,質(zhì)量為4.26 kg,屈服強度≥320 MPa,抗拉強度≥500 MPa。
4.2 約束邊界及工況載荷
板簧支架與車架直接連接,模型中添加剛性單元(rigid barelement)rbe2 來定義約束,添加剛性單元rbe3來定義載荷作用位置。該板簧支架模型中共添加6處用于固定約束的rbe2,分別位于支架上端與車架連接處;1個用于載荷施加的rbe3單元,位于支架下端板簧卷耳連接處的襯套內(nèi)。車架的前后兩端約束6個自由度,在襯套處分別施加垂向靜態(tài)、制動、轉(zhuǎn)彎三個工況的載荷,有限元計算模型如圖8所示。
圖8 有限元計算模型
根據(jù)拓撲優(yōu)化的板簧支架結(jié)構(gòu), 利用大型有限元軟件Hyperworks平臺的RADIOSS求解器對板簧支架進行有限元強度分析,板簧支架新結(jié)構(gòu)最大von Mises應(yīng)力值計算結(jié)果如表1所示,各工況下板簧支架應(yīng)力云圖如圖 9 所示。
表1 板簧支架優(yōu)化前后各工況下性能對比
圖9 板簧支架各工況下應(yīng)力云圖
計算結(jié)果表明,經(jīng)過solidThinking Inspire優(yōu)化設(shè)計后的板簧支架,各工況下強度都滿足設(shè)計要求,最小安全系數(shù)為3.33。該板簧支架在車輛可靠性試驗過程中未出現(xiàn)斷裂等問題,證明其設(shè)計滿足性能需求。通過對板簧支架進行優(yōu)化設(shè)計,證明了基于solidThinking Inspire的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法可以有效提高產(chǎn)品開發(fā)進度,合理布局零件的材料,達到了降低制造成本的目的。將最終的創(chuàng)意設(shè)計結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在實際工程中,與車輛的板簧及車架連接,如圖10所示。
圖10 工程實際應(yīng)用
5 結(jié)語
以某重型車板簧支架為設(shè)計對象,基于變密度法建立了拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,利用Hyperworks中的solidThinking Inspire模塊將連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法應(yīng)用到該板簧支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中,對多工況下的板簧支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
根據(jù)拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu),再結(jié)合制造工藝及設(shè)計經(jīng)驗,對板簧支架進行重新設(shè)計,最后對新結(jié)構(gòu)進行了有限元強度計算,計算
結(jié)果表明,進行優(yōu)化設(shè)計后的板簧支架,性能滿足設(shè)計要求。通過solidThinking Inspire可以更加科學(xué)有效地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,使材料在零件的布置更加合理,克服了以往靠經(jīng)驗設(shè)計,僅考慮零件的功能性需求,忽視其可靠性的缺陷。通過solidThinkingInspire的優(yōu)化設(shè)計,不僅可以很好的布置其材料分布,而且節(jié)省不必要的材料應(yīng)用,既提高工作效率,也實現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低。
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