摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件的輕量化研究

高朋，李昊，陳文剛，徐國(guó)棟，李加強(qiáng)，田紹兵，李娟

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，昆明 650224）

0 引言

現(xiàn)階段，石油資源相對(duì)緊缺，同時(shí)對(duì)低碳環(huán)保的要求日益提高，車輛輕量化已成為車企發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。目前，車輛輕量化已在質(zhì)量相對(duì)較大的部件上有所應(yīng)用，但針對(duì)質(zhì)量相對(duì)較小、受力又比較集中的部件應(yīng)用尚不成熟[2]。既保證摩托車結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度和剛度不變或變化很小，又能減輕質(zhì)量成為輕量化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[3]。減輕車架質(zhì)量有3種方法：1）采用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料；2）對(duì)汽車零部件進(jìn)行優(yōu)化；3）采用新型制造技術(shù)[4]。由于結(jié)構(gòu)部件為主要承載部件，使用傳統(tǒng)的方法去分析和優(yōu)化難度較大且效果較差[5]，所以用有限元方法與拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印相結(jié)合的方法，既達(dá)到了輕量化的目的，同時(shí)也縮短了設(shè)計(jì)周期。因此，本研究基于UG建立了摩托車減震器端與車架連接端的結(jié)構(gòu)部件模型，利用有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，通過(guò)與優(yōu)化前的部件進(jìn)行對(duì)比，分析驗(yàn)證輕量化的可行性。通過(guò)此次研究，既可以實(shí)現(xiàn)摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件輕量化設(shè)計(jì)的目的，同時(shí)為輕量化設(shè)計(jì)提供新的研究方案，并在與3D打印的結(jié)合中，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)規(guī)模，為摩托車行業(yè)的發(fā)展提供一定的借鑒作用。

1 結(jié)構(gòu)部件參數(shù)化建模

以某摩托車為研究對(duì)象，采用UG建立了其減震器端和車架連接端的結(jié)構(gòu)部件CAD模型，如圖1（a）所示。該部件是由3組樞軸凸臺(tái)體和部件主體構(gòu)成，樞軸凸臺(tái)體內(nèi)孔的直徑大小分別為10、11、10 mm，外孔的直徑大小分別為17、17、25 mm。3組樞軸凸臺(tái)體的距離分別為23.0、23.0、51.8 mm[6]。將3組樞軸凸臺(tái)體載荷來(lái)表征安裝孔的固定情況。為防止工藝圓孔及工藝設(shè)計(jì)對(duì)有限元分析的影響，根據(jù)實(shí)際的受載情況對(duì)連接件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。將模型導(dǎo)入Altair Inspire中，如圖1（b）所示。設(shè)定模型分析材料為ABS，總質(zhì)量為258.47 g，材料參數(shù)如表1所示。

圖1 摩托車減震器端和車架連接端結(jié)構(gòu)部件模型

表1 結(jié)構(gòu)部件材料屬性

2 結(jié)構(gòu)部件初始強(qiáng)度分析

由于本次研究的是摩托車減震器端與車架連接端的結(jié)構(gòu)部件，因此在連接位置添加載荷，設(shè)置為慣性釋放，合理安排分析參數(shù)，保障初始分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 結(jié)構(gòu)部件分析參數(shù)設(shè)置

對(duì)摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件模型進(jìn)行初始強(qiáng)度分析，無(wú)約束，使用慣性釋放。載荷位置分別為：1）350 N，平行于XZ平面，與Z負(fù)方向夾角45°方向向量為（-0.70711，0，-0.70711）；2）350 N，平行于XZ平面，與Z負(fù)方向夾角45° 方向向量為（-0.70711，0，-0.70711）；3）1350 N，平行于XZ平面，與Z正方向夾角45° 方向向量為（0.70711，0，0.70711），作用點(diǎn)兩孔連接中心位置；4）X負(fù)方向900 N 作用點(diǎn)兩孔連接中心位置，如圖2所示。設(shè)置分析單元尺寸為2 mm，計(jì)算速度/精度選擇更準(zhǔn)確，對(duì)全部載荷工況進(jìn)行分析[6]。

圖2 結(jié)構(gòu)部件有限元分析參數(shù)設(shè)置

2.2 結(jié)構(gòu)部件初始分析結(jié)果

根據(jù)載荷條件，使用Alter Inspire對(duì)結(jié)構(gòu)部件模型進(jìn)行剛強(qiáng)度分析評(píng)估，其中得出最大米塞斯等效應(yīng)力為14.61 MPa，最大位移為0.2473 mm，最小安全系數(shù)為3.1，最大屈服百分比為28.61%。米塞斯等效應(yīng)力、位移、屈服百分比和安全系數(shù)的云圖如圖3所示。分析結(jié)果表明，最大米塞斯等效應(yīng)力小于ABS材料屈服應(yīng)力、最大位移小于1.2 mm、安全系數(shù)大于1.2，符合總體設(shè)計(jì)要求[6]。由此看來(lái)，采用ABS材料的摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件符合實(shí)際需求。

圖3 初始強(qiáng)度分析結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)部件輕量化

運(yùn)用Altair Inspire進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可以通過(guò)Altair inspire拓?fù)鋬?yōu)化算法，通過(guò)形狀控制找到最合適的質(zhì)量分布，然后運(yùn)用Fit PolyNURBS工具幾何重構(gòu)最優(yōu)的三維模型，以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)流程如圖4所示。將UG建立的摩托車連接器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件模型，在Altair Inspire結(jié)構(gòu)仿真模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，指定部件主體為設(shè)計(jì)空間，對(duì)設(shè)計(jì)空間設(shè)定關(guān)于XZ平面對(duì)稱和雙向拔模的形狀控制，如圖5（a）所示。設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)質(zhì)量為25%，厚度約束為7.75 mm。優(yōu)化結(jié)束后拖動(dòng)滑條，使優(yōu)化結(jié)果連續(xù)，如圖5（b）所示。使用Fit PolyNURBS 工具對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行幾何重構(gòu)，使優(yōu)化結(jié)果完整、平滑和連續(xù)。通過(guò)拖拽控制點(diǎn)、運(yùn)用布爾運(yùn)算和倒角工具，使重構(gòu)后的模型與非設(shè)計(jì)空間相交來(lái)保證部件的完整性，并使設(shè)計(jì)空間與非設(shè)計(jì)空間銜接緊密，從而得到輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果[7]，如圖5（c）所示。優(yōu)化前后模型主體參數(shù)對(duì)比如表2所示。

圖4 輕量化設(shè)計(jì)流程

從 圖 5（b）、圖5（c）可以看出，Altair Inspire結(jié)構(gòu)仿真模塊對(duì)結(jié)構(gòu)部件的拓?fù)鋬?yōu)化是將實(shí)體部分改為由梁結(jié)構(gòu)、桿狀結(jié)構(gòu)和板狀結(jié)構(gòu)組合連接構(gòu)成。而通過(guò)表2可以看出，摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件主體的質(zhì)量、體積、最小厚度、最大厚度和最大間距都相應(yīng)地發(fā)生了變化，且都不同程度地進(jìn)行了縮減。其中，主體模型質(zhì)量由優(yōu)化前的248.19 g降低到91.53 g，減少了73.12%的質(zhì)量，滿足了摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件輕量化的目的。

表2 結(jié)構(gòu)部件主體優(yōu)化前后模型參數(shù)變化

圖5 結(jié)構(gòu)部件輕量化設(shè)計(jì)

4 結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度校核

優(yōu)化完成后需對(duì)優(yōu)化后的摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證其滿足正常實(shí)際使用。將靜力學(xué)分析和安全評(píng)估的結(jié)果與初始強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

4.1 結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化后的靜力學(xué)分析

對(duì)結(jié)構(gòu)部件輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行靜力學(xué)分析，設(shè)置分析單元尺寸為2 mm，計(jì)算速度/精度選擇更精準(zhǔn)，使用慣性釋放，對(duì)全部載荷工況進(jìn)行分析，載荷工況參考3.1中參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。米塞斯應(yīng)力、位移、屈服百分比等的云圖如圖6所示。優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比如表3所示。

圖6 結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化后靜力學(xué)分析結(jié)果

從圖6和表3中可以看出：1）摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化后，最大米塞斯等效應(yīng)力、最大位移和最大屈服百分比均增加。其中，最大米塞斯等效應(yīng)力由優(yōu)化前的14.61 MPa增加到26.12 MPa，增加幅度為78%。2）在全部載荷工況下，優(yōu)化前與優(yōu)化后的最大米塞斯等效應(yīng)力均位于第二組樞軸凸臺(tái)體及位置（3）處，這是由于其連接后搖架焊接組合，固定上下鏈殼，使后輪與懸架一起運(yùn)動(dòng)，吸收并緩和了由于路面不平引起的沖擊和振動(dòng)，因此在其邊緣產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使之受到的等效應(yīng)力最大。3）在全部載荷工況下，結(jié)構(gòu)部件的最大位移變形從優(yōu)化前的第三組樞軸凸臺(tái)體及位置（4）處，轉(zhuǎn)換到第一組樞軸凸臺(tái)體及位置（1）、（2）處，這是由于位置（4）與后減震器相連，在隨減震器的壓縮與復(fù)原過(guò)程中，產(chǎn)生較大位移。但在優(yōu)化的過(guò)程中，通過(guò)多次幾何重構(gòu)與強(qiáng)度校核，對(duì)位置（4）處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，在增加厚度的情況下，又增大了設(shè)計(jì)空間與非設(shè)計(jì)空間的相交面積，使最大位移變形轉(zhuǎn)移到與車架相連的位置（1）、（2）處。4）由于厚度的減小，最大屈服百分比由優(yōu)化前的28.61%增長(zhǎng)到優(yōu)化后的58.04%，但最大米塞斯等效應(yīng)力未超過(guò)部件本身材料屬性的屈服應(yīng)力，且最大位移也未超過(guò)12 mm，因此結(jié)構(gòu)部件在滿足輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，其自身的強(qiáng)度和剛度也滿足正常使用要求。

表3 結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化前后靜力學(xué)分析參數(shù)對(duì)比

4.2 結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化后的安全評(píng)估

安全評(píng)估的目的是以機(jī)械安全使用為主要目標(biāo)，根據(jù)安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)機(jī)械零部件的安全隱患，同時(shí)分析判斷安全隱患的程度。安全系數(shù)是考慮到影響機(jī)器強(qiáng)度的因素，如計(jì)算載荷及應(yīng)力精度、機(jī)器工作的重要性和材料的可靠性等因素的強(qiáng)度裕度[8]。本研究針對(duì)摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件，利用有限元法將優(yōu)化后模型導(dǎo)入Altair Inspire中進(jìn)行安全評(píng)估，得到安全系數(shù)云圖，如圖7所示。根據(jù)云圖可以看出，安全系數(shù)小于3.5的部分均位于樞軸凸臺(tái)體及非設(shè)計(jì)空間與設(shè)計(jì)空間連接位置，與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)部件最薄弱位置基本一致。但即使是最小安全系數(shù)也超過(guò)了設(shè)計(jì)要求的1.2，達(dá)到了1.7。雖然對(duì)比優(yōu)化前的安全系數(shù)3.1有所下降，但優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)部件仍然具有很好的安全性和可靠性。

圖7 結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化后安全系數(shù)

5 結(jié)論

基于UG對(duì)摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行參數(shù)化建模，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行初始強(qiáng)度分析，驗(yàn)證ABS材料的可行性。利用Altair Inspire進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過(guò)多次幾何重構(gòu)與強(qiáng)度校核來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。對(duì)輕量化最終設(shè)計(jì)模型做靜力學(xué)分析和安全評(píng)估，得到最大米塞斯等效應(yīng)力、最大位移、最大屈服百分比和最大安全系數(shù)，并與優(yōu)化前的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明，摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件可采用ABS材料，且在優(yōu)化后其總質(zhì)量減輕了60.6%，其中部件主體的質(zhì)量減少了73.12%。其強(qiáng)度與位移呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，安全系數(shù)降低45%，但仍可滿足結(jié)構(gòu)部件的正常使用要求。因此，摩托車減震器端與車架連接端結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化后，既滿足了基于ABS材料的輕量化的需要，同時(shí)又可以保證其具有足夠的強(qiáng)度、剛度和安全性。