導(dǎo)向臂支架強度及疲勞的分析與優(yōu)化

2017-02-16 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:為解決某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架在道路試驗中失效的問題,對該導(dǎo)向臂支架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。文章利用HyperWorks軟件OptiStruct模塊和疲勞壽命分析軟件分別對該導(dǎo)向臂支架進行靜強度和疲勞壽命分析,根據(jù)分析結(jié)果,在HyperWorks軟件的OptiStruct模塊下對導(dǎo)向臂支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明,經(jīng)過優(yōu)化后的導(dǎo)向臂支架強度和疲勞壽命都得到提高,質(zhì)量較原結(jié)構(gòu)減輕13%。該方法可廣泛應(yīng)用于類似車輛部件的優(yōu)化設(shè)計工程。

1引言

復(fù)合空氣懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、導(dǎo)向臂、導(dǎo)向臂支架、高度控制閥、減震器、緩沖限位塊等機械元件和電氣元件,以及儲氣筒和空氣壓縮機等輔助系統(tǒng)組成[1]。某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架在道路試驗過程中發(fā)生斷裂破壞的現(xiàn)象進行了研究,經(jīng)過斷口檢測發(fā)現(xiàn),支架破壞主要由承受極低周疲勞載荷或一次性沖擊載荷引起。文章利用有限元方方法,對導(dǎo)向臂支架進行靜強度和疲勞壽命分析并進行優(yōu)化,達到提高產(chǎn)品性能和優(yōu)化設(shè)計的目的,并為類似重型車零部件的設(shè)計與優(yōu)化提供了理論計算的依據(jù)。

2導(dǎo)向臂支架靜強度分析

2.1有限元模型

文中采用HyperMesh對某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架進行網(wǎng)格劃分,由于導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)不規(guī)則,這里采用四面體單元,網(wǎng)格全局尺寸選擇5mm,最終有限元模型共有節(jié)點數(shù)16256,實體單元數(shù)為62034,導(dǎo)向臂支架有限元模型如圖1所示。

2.2約束邊界條件

模型中添加剛性單元Rbe2來定義位移約束,添加剛性單元Rbe3來定義載荷作用位置。該導(dǎo)向臂支架模型中共添加10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,位于支架下端導(dǎo)向臂連接處。

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圖1導(dǎo)向臂支架有限元模型

2.3載荷邊界條件

空氣懸架導(dǎo)向臂支架在車輛轉(zhuǎn)彎、制動和加速3種極限工況下,所處工況比較惡劣,所以文章重點關(guān)注這3種工況。對整車進行動力學(xué)分析或者試驗測試,可以計算或者測試出導(dǎo)向臂支架處的作用力和作用力矩,表1為3種工況下,作用在某重型貨車空氣懸架導(dǎo)向臂支架上的載荷,表1中的工況及載荷大小來源于整車廠對該型重卡空氣懸架導(dǎo)向臂支架的試驗測試。

表1導(dǎo)向臂支架工況及載荷

編號	載荷工況	FX(N)	FY(N)	FZ(N)	MZ(N·m)
1	轉(zhuǎn)彎	0	24139	34484	15087
2	制動	24139	0	34484	0
3	加速	-24139	0	34484	0

2.4靜強度分析
導(dǎo)向臂支架的材料為球墨鑄鐵(QT450-10),其性能參數(shù)如表2所示。

表2導(dǎo)向臂支架材料屬性

材料	密度/(t/m3)	彈性模量/GPa	屈服強度/MPa	泊松比
QT450	7.30	147	310	0.30

針對導(dǎo)向臂支架的3種載荷工況,利用HyperWorks軟件的OptiStruct模塊分別對其進行有限元靜強度分析。經(jīng)過分析可知,轉(zhuǎn)彎工況下的靜態(tài)位移和應(yīng)力最大,空氣懸架導(dǎo)向臂支架最大應(yīng)力為345.7MPa,位于導(dǎo)向臂支架與車架連接孔下方節(jié)點67771位置,如圖2圓圈內(nèi)所示,這與道路試驗破壞位置相同。導(dǎo)向臂支架最大位移為1.87mm,位于導(dǎo)向臂支架最下端節(jié)點57位置。各工況的最大變形和應(yīng)力如表3所示。

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圖2導(dǎo)向臂支架轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

表3導(dǎo)向臂支架初始結(jié)構(gòu)靜強度分析結(jié)果

工況	最大應(yīng)力(MPa)	節(jié)點ID	最大位移(mm)	節(jié)點ID
轉(zhuǎn)彎	345.7	67771	1.870	57
制動	78.1	20148	0.378	58
加速	79.6	67770	0.378	47720

由圖2和表3可知,導(dǎo)向臂支架在極限轉(zhuǎn)彎工況時候最大應(yīng)力超過材料屈服極限310MPa,所以該導(dǎo)向臂支架破壞形式屬于極低周疲勞破壞,下面將進一步進行疲勞壽命分析。

2.5疲勞壽命分析

以O(shè)ptiStruct計算得到的應(yīng)力結(jié)果為輸入,結(jié)合導(dǎo)向臂支架的材料屬性、疲勞強度數(shù)據(jù)、材料統(tǒng)計規(guī)律、零件表面粗糙度、熱處理等數(shù)據(jù),采用FEMFAT疲勞計算軟件進行計算,存活率設(shè)定為99.9%,得到導(dǎo)向臂支架在設(shè)定工況下的疲勞壽命安全系數(shù)云圖,如圖3所示。
云圖中紅色區(qū)域表示疲勞壽命比較低,藍色區(qū)域表示疲勞壽命較高,由圖3可見,導(dǎo)向臂支架最小疲勞安全系數(shù)為0.5,根據(jù)工程經(jīng)驗,導(dǎo)向臂支架的疲勞安全系數(shù)通常要求在1.32以上,所以此導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)不能滿足應(yīng)用需求。疲勞壽命計算結(jié)果中最小疲勞安全系數(shù)的位置為實際試驗破壞的位置,進一步確定有限元計算的可靠性,為下一步的優(yōu)化分析及計算驗證提供依據(jù)。
根據(jù)靜強度及疲勞壽命分析,以及道路試驗破壞結(jié)果可知,該導(dǎo)向臂支架不能滿足設(shè)計需求,有必要對該零件的結(jié)構(gòu)做出調(diào)整,在滿足功能和裝配要求的前提下,重新進行設(shè)計。

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圖3導(dǎo)向臂支架疲勞安全系數(shù)云圖

3導(dǎo)向臂支架拓撲優(yōu)化

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[2]。一般應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始概念階段,這方面目前國內(nèi)外汽車業(yè)已經(jīng)有了較多的研究成果。而對現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化的研究相對較少[3-4],因為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的造型已經(jīng)形成,要在此基礎(chǔ)上不降低結(jié)構(gòu)強度,還要實現(xiàn)重量的下降,在產(chǎn)品改進設(shè)計中具有十分重要的工程意義。
在HyperMesh中把離散后的有限元模型劃分成設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域[5-7],定義設(shè)計變量,設(shè)計目標(biāo)和約束條件,通過HyperWorks軟件的OptiStruct模塊對拓撲模型進行優(yōu)化計算,在HyperView中進行后處理,最后利用OptiStruct模塊對重新設(shè)計的優(yōu)化模型做性能分析。

3.1設(shè)計空間和非設(shè)計空間

采用變密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法對該導(dǎo)向臂支架進行優(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。一般螺栓連接部位為非設(shè)計空間,而設(shè)計空間的確定以原結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),根據(jù)零部件與周圍相連部件間的靜態(tài)裝配關(guān)系、運動關(guān)系等條件,在保證零件之間不發(fā)生干涉的情況下盡量給出簡單的設(shè)計空間。基于以上原則,而且保證在拓撲優(yōu)化過程中有很大的拓撲空間,復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架的拓撲優(yōu)化空間如圖4所示。

3.2導(dǎo)向臂支架的拓撲優(yōu)化

該導(dǎo)向臂支架拓撲優(yōu)化主要綜合考慮3種載荷工況下結(jié)構(gòu)全局應(yīng)力約束、某些關(guān)鍵點的位移約束和體積比約束等。模型全局應(yīng)力約束上限值為280MPa,設(shè)定導(dǎo)向臂支架的體積比上限為0.5,即最多保留拓撲模型總體積的50%,另外保證優(yōu)化后模型第一階頻率不低于原結(jié)構(gòu),設(shè)定載荷集中點的位移約束為最大位移1.5mm;另外,考慮設(shè)計零件的可制造性,使用脫模方向約束創(chuàng)建拓撲優(yōu)化設(shè)計變量,允許模具沿給定方向滑動。

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圖4導(dǎo)向臂支架拓撲優(yōu)化空間

3.3導(dǎo)向臂支架的優(yōu)化結(jié)果

利用HyperWorks中的OptiStruct模塊進行某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架的拓撲優(yōu)化,共經(jīng)過59次優(yōu)化迭代后結(jié)果收斂,圖5為導(dǎo)向臂支架拓撲優(yōu)化優(yōu)化空間的材料密度分布云圖。

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圖5導(dǎo)向臂支架拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖5中藍色區(qū)域為可除大部分材料,材料密度值接近0,紅色區(qū)域為結(jié)構(gòu)需保留區(qū)域,密度值接近于1。其他顏色區(qū)域為中間區(qū)域,這些區(qū)域可去除部分材料。
把拓撲優(yōu)化結(jié)果通過OptiStruct提供的OSSmooth工具進行提取,該工具可將拓撲優(yōu)化結(jié)果以iges格式直接輸出,輸出后的幾何模型如圖6所示。
根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果,并考慮工藝和設(shè)計經(jīng)驗,在三維設(shè)計軟件中對原模型進行修改,得到的優(yōu)化模型如圖7所示,新的導(dǎo)向臂支架的質(zhì)量為18.29kg,較原結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少2.72kg,減輕質(zhì)量約13%。

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圖6導(dǎo)向臂支架經(jīng)OSSmooth提取的幾何模型圖7導(dǎo)向臂支架的優(yōu)化模型

4導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后性能對比

根據(jù)拓撲優(yōu)化的導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu),利用有限元軟件HyperWorks的OptiStruct模塊對導(dǎo)向臂支架進行靜強度分析,利用疲勞壽命分析軟件對其進行疲勞分析,并與原結(jié)構(gòu)進行對比。導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后各工況下最大應(yīng)力對比結(jié)果見表4,轉(zhuǎn)彎工況下導(dǎo)向臂支架應(yīng)力云圖如圖8所示,導(dǎo)向臂支架在設(shè)定工況下的疲勞安全系數(shù)云圖如圖9所示。

表4導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后各工況下性能對比

工況	原結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(MPa)	新結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(MPa)	變化量(MPa)	百分比(%)
轉(zhuǎn)彎	345.7	255.1	-90.6	-26
制動	78.1	139.6	61.5	78
加速	79.6	133.9	54.3	67

導(dǎo)向臂支架強度及疲勞的分析與優(yōu)化hypermesh分析圖片8

導(dǎo)向臂支架強度及疲勞的分析與優(yōu)化hypermesh分析圖片9

圖8優(yōu)化后導(dǎo)向臂支架轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖圖9優(yōu)化后導(dǎo)向臂支架疲勞安全系數(shù)云圖

由表4可以看出,優(yōu)化后的導(dǎo)向臂支架在轉(zhuǎn)彎工況下最大應(yīng)力為255.1MPa,比原來的結(jié)構(gòu)降低了26%,強度得到極大的提高;而在加速和制動工況下,應(yīng)力值有所增大,但都遠低于材料的屈服極限,在可接受范圍內(nèi)。由圖8的新結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖可知,新結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻,結(jié)構(gòu)更加趨于安全;由圖9可以看出,導(dǎo)向臂支架最小安全系數(shù)為1.519,根據(jù)工程經(jīng)驗,導(dǎo)向臂支架的疲勞安全系數(shù)滿足要求。
計算結(jié)果表明,進行優(yōu)化設(shè)計后的導(dǎo)向臂支架,給定工況下最大應(yīng)力有所降低,應(yīng)力分布更加均勻。通過對導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后的性能比較,證明了拓撲優(yōu)化設(shè)計方法在不減少結(jié)構(gòu)部件強度和性能的基礎(chǔ)上,可以有效減輕結(jié)構(gòu)重量,達到了降低制造成本的目的。
優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行了零部件試制并在安徽定遠試驗場進行整車耐久性試驗,沒有出現(xiàn)試驗故障,證明了上述優(yōu)化方案的可靠性。

5結(jié)論

以某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架為分析對象,運用HyperWorks中的OptiStruct模塊對其進行靜強度分析,基于靜強度應(yīng)力結(jié)果利用疲勞壽命分析軟件進行疲勞壽命預(yù)測,發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)向臂支架靜強度和疲勞壽命都不滿足應(yīng)用要求;利用HyperWorks平臺的OptiStruct模塊,將基于變密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法應(yīng)用到該導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中,對多工況下的導(dǎo)向臂支架結(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,對導(dǎo)向臂支架進行重新設(shè)計,最后新結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力和疲勞壽命的計算,并和優(yōu)化前的數(shù)據(jù)進行比較。計算結(jié)果表明,進行優(yōu)化設(shè)計后的導(dǎo)向臂支架,質(zhì)量減輕了約13%,轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力降低26%,另外兩個工況應(yīng)力雖有所增加,但不影響整體性能,而且疲勞壽命安全系數(shù)達到1.519,滿足工程要求,經(jīng)過優(yōu)化后的導(dǎo)向臂支架安全性能得到提升,重量減輕。

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