輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)

2019-01-07 22:18:13·
　
本文為技術(shù)鄰Altair優(yōu)化設(shè)計(jì)大賽投稿作品，作者為技術(shù)鄰用戶：煮雨煮粥摘要本報(bào)告使用Altair公司提供的HyperMesh軟件以及OptiStruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，對(duì)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了在汽車極限左轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的約束載
本文為技術(shù)鄰·Altair優(yōu)化設(shè)計(jì)大賽投稿作品，作者為技術(shù)鄰用戶：煮雨煮粥
摘要 本報(bào)告使用Altair公司提供的HyperMesh軟件以及OptiStruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，對(duì)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了在汽車極限左轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的約束載荷，以及結(jié)合制造工藝中最小成員尺寸約束進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使其達(dá)到輕量化，且對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié) 拓?fù)鋬?yōu)化 輕量化 變密度法

1汽車輕量化設(shè)計(jì)背景介紹
在當(dāng)今汽車工業(yè)中，減輕設(shè)計(jì)重量和縮短設(shè)計(jì)周期是兩個(gè)突出的問題。汽車輕量化設(shè)計(jì)開始占據(jù)了汽車發(fā)展的主要地位，但是簡(jiǎn)單的汽車輕量化設(shè)計(jì)卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時(shí)，也犧牲了車輛的強(qiáng)度和剛度。在此情況下，Altair公司的有限元分析技術(shù)以及優(yōu)化技術(shù)在汽車行業(yè)獲得了非常成功的應(yīng)用。特別是對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車零件，HyperWorks的有限元分析技術(shù)、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)使得很多材料的潛能及鑄造的優(yōu)勢(shì)得到了充分的發(fā)揮。

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車的重要安全零部件。該零件在原始設(shè)計(jì)中，由于整個(gè)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，只能作定性分析和類比估算。在確定實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，往往選擇的安全系數(shù)過大，致使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過于笨重、粗大。另外，由于對(duì)實(shí)際的受力點(diǎn)未能完全把握，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。

2有限元模型建立及分析
轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其它零部件相連的同時(shí)，通過法蘭盤的制動(dòng)器安裝孔進(jìn)行定位。由于整車全工況有限元模型的計(jì)算量太龐大，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，因此僅選取在極限左轉(zhuǎn)向工況下，轉(zhuǎn)向節(jié)模型與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件和輪轂電機(jī)相連接的六個(gè)節(jié)點(diǎn)作為輸入載荷點(diǎn)，單獨(dú)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行優(yōu)化。
2.1 CAD建模
通過CAD軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)與建模，模型如圖2.1所示：
 
Figure2.1 轉(zhuǎn)向節(jié)CAD模型
2.2 CAE建模
通過Altair公司hyperMesh軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行有限元分析。此處采用Tetramesh進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，其中與法蘭盤的制動(dòng)器安裝的四個(gè)孔進(jìn)行全自由度約束，其它孔徑作為載荷輸入點(diǎn)，所有孔壁均用RBE2進(jìn)行剛性連接，有限元模型如圖2.2所示：
 
Figure2.2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型
Table2.1 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元參數(shù)
零件
節(jié)點(diǎn)數(shù)
單元數(shù)
轉(zhuǎn)向節(jié)
14305
407631
2.3材料屬性
計(jì)算中使用的材料參數(shù)如表2.2所示：
Table2.2 轉(zhuǎn)向節(jié)材料參數(shù)
材料
楊氏模量E（GPa）
泊松比
屈服強(qiáng)度
(MPa)
合金鋼
210000
0.3
285
2.4邊界載荷條件
轉(zhuǎn)向節(jié)通過法蘭盤的制動(dòng)器安裝的四個(gè)孔進(jìn)行全自由度約束(圖中4個(gè)藍(lán)色約束)，其它孔徑為輸入點(diǎn)（圖中黃色箭頭為力和力矩的輸入）。通過Altair公司提供的MotionView軟件進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)仿真，可獲得在左轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向節(jié)響應(yīng)的輸入載荷，載荷和約束施加如圖2.3所示：
 
Figure2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)邊界載荷
圖2.3中，輸入載荷力與力矩以及作用點(diǎn)的具體參數(shù)如下表所示：
Table2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)邊界載荷參數(shù)
Load position
FX(N)
FY(N)
FZ(N)
TX(Nmm)
TY(Nmm)
TZ(Nmm)
輪心
-192
9010
8648
2885000
-3678
67987
控制臂外點(diǎn)
1136
-2248
628
0
0
0
轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)
-386
-1062
128
-186
40
-47
滑柱下點(diǎn)
-40
-732
-1182
327008
-7673
-29904
輪轂電機(jī)支撐上點(diǎn)
-230
215
116
48
-213
52
輪轂電機(jī)支撐下點(diǎn)
-251
120
70
32
-317
66
2.5轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)果分析
轉(zhuǎn)向節(jié)在上述工況下的分析結(jié)果如表2.4所示：
Table2.4 轉(zhuǎn)向節(jié)分析結(jié)果
零件
最大位移（mm）
最大應(yīng)力（MPa）
質(zhì)量（Kg）
轉(zhuǎn)向節(jié)
0.19
114.5
7.2
Figure2.4 轉(zhuǎn)向節(jié)位移云圖   
           Figure2.5 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖
3優(yōu)化分析
OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要分為拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等。由于轉(zhuǎn)向節(jié)采用實(shí)體單元建模，其優(yōu)化目的是在給定的設(shè)計(jì)空間找到最優(yōu)的材料分布，所以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化時(shí)將采用拓?fù)鋬?yōu)化方法。
3.1確定優(yōu)化流程設(shè)計(jì)
優(yōu)化分析模型一般由目標(biāo)函數(shù)、約束條件、優(yōu)化設(shè)計(jì)變量三個(gè)方面組成，借助HyperWorks里的OptiStruct模塊可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，施加載荷點(diǎn)在上述工況下的最大合位移作為約束條件，體積最小化作為目標(biāo)函數(shù)，這樣利用拓?fù)鋬?yōu)化可以獲得一個(gè)最佳的材料布局，即最佳的材料分布。然后在這個(gè)最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局的基礎(chǔ)上按照實(shí)際需求形成一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案，并借助CAD軟件，形成新的CAD模型，并按照上述同樣的工況條件對(duì)新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。
Figure3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
3.2 拓?fù)鋬?yōu)化分析
首先對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)非干涉和非裝配部位進(jìn)行必要的材料填充，然后將有限元網(wǎng)絡(luò)劃分為設(shè)計(jì)區(qū)域（藍(lán)色）和非設(shè)計(jì)區(qū)域（紅色），如圖3.2所示
Figure3.2 設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域有限元模型
通過MotionView對(duì)整車模型不同工況進(jìn)行仿真，模擬仿真出轉(zhuǎn)向節(jié)的各個(gè)孔徑可接受的最大合位移，如表3.1所示：
Table3.1 約束條件最大合位移
節(jié)點(diǎn)號(hào)
滑柱下點(diǎn)
轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)
控制臂外點(diǎn)
位移（mm）
0.320
0.202
0.238
選取單元密度作為設(shè)計(jì)變量，增加最小成員尺寸約束，施加載荷點(diǎn)在工況下的最大合位移作為約束條件，體積最小化作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析,如表3.2所示。并將拓?fù)鋬?yōu)化中整個(gè)模型的最大應(yīng)力控制在260MPa以下。
Table3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)變量
單元密度
約束條件
體積最小化
優(yōu)化目標(biāo)
最大合位移
基于變密度法對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，單元密度結(jié)果如圖3.3所示：
Figure3.3 拓?fù)鋬?yōu)化單元密度
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的單元密度等值面圖指定的精度值，在該工況下可優(yōu)化出新的設(shè)計(jì)方案，舍去圖3.3中藍(lán)色部分，可減輕50%以上質(zhì)量，但是由于其相應(yīng)拓?fù)潢P(guān)系，與其他零件的裝配關(guān)系以及生產(chǎn)工藝難易程度等綜合考慮，給予此工況下可進(jìn)行的優(yōu)化，如圖3.3所示，其中黑色區(qū)域?yàn)樵诓桓缮嫫溲b配且方便加工條件下的優(yōu)化區(qū)域：
Figure3.4 拓?fù)鋬?yōu)化
按照原始結(jié)構(gòu)的工況條件對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果如表3.3以及圖3.5和圖3.6所示：
Table3.3優(yōu)化前后對(duì)比
轉(zhuǎn)向節(jié)
質(zhì)量
最大應(yīng)力
最大位移
原方案
7.2
114.5
0.19
拓?fù)鋬?yōu)化方案
6.3
151.1
0.20
優(yōu)化率
輕量化12.5%
 Figure3.5 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方案位移云圖
    Figure3.6拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)力云圖
4 分析與結(jié)論
經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化，最終得到了較為理想的設(shè)計(jì)方案，將對(duì)原始方案與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案相比較，可以清楚地看到優(yōu)化方案重量較以前減輕了12.5%，雖然同種工況下原始方案的最大應(yīng)力為114.1MPa，優(yōu)化后的最大應(yīng)力增大為151.1Mpa，位移由0.18mm增大到0.20mm，但是均遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的最大值。此次分析只是針對(duì)汽車在左轉(zhuǎn)向極限靜力工況下對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程運(yùn)用中，還需要綜合考慮其它載荷工況進(jìn)行更全面的驗(yàn)證和優(yōu)化，這也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，此外在優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置上還應(yīng)考慮拔模約束等工藝的約束條件，使得最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案更加具有可制造加工性。通過該分析實(shí)例，也說明拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有實(shí)際的工程運(yùn)用意義，當(dāng)然這還需要后續(xù)試驗(yàn)的驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
1 余志生. 汽車?yán)碚揫M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007 
2 張勝蘭等. 基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007
3 王鈺棟等. HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012
4 洪清泉等. OptiStruct&HyperMesh理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2013
5 李穎琎等. HyperMesh在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].HyperWorks技術(shù)大會(huì),2008
來源：技術(shù)鄰CAE學(xué)院