基于TRIZ理論的減振器失效模式優(yōu)化設(shè)計及仿真分析

張娜，楊坤，于振環(huán)

1.長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校機(jī)械工程學(xué)院，吉林長春 130011；2.一汽東機(jī)工減振器有限公司試驗中心，吉林長春 130013；3.長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校汽車工程學(xué)院，吉林長春 130011

0 引言

車輛已成為當(dāng)今社會家庭不可或缺的重要交通工具，懸架是其重要組成之一，作為車輛懸架的核心組成部分，減振器產(chǎn)品的不斷升級和更新，對車輛行駛的安全性與乘坐舒適性有重要的影響。目前，國內(nèi)汽車市場更新?lián)Q代頻率快，車企希望開發(fā)周期短且成本低的產(chǎn)品，但同時也造成了產(chǎn)品安全隱患的上升。

減振器是車輛懸架的關(guān)鍵零部件之一，減振器不僅決定著車輛的舒適性和操穩(wěn)性，同時也是連接車輛簧上和簧下質(zhì)量的關(guān)鍵部件，減振器各連接點的強(qiáng)度可靠性，對車輛安全性能起著至關(guān)重要的作用。因此，減振器各連接點必須始終保持足夠的可靠強(qiáng)度。由于在量產(chǎn)制造階段，工廠受原材料、設(shè)計、工藝等多項因素制約，有時會根據(jù)量產(chǎn)的實際情況進(jìn)行設(shè)計變更，所以尋求一條快速、準(zhǔn)確且低成本的解決方法是工廠一直所追求的。

本文以某車型為研究對象，對已進(jìn)入量產(chǎn)階段的減振器安全隱患排查，利用TRIZ創(chuàng)新理論對某車型減振器進(jìn)行研究和改進(jìn)，并采用有限元分析方法進(jìn)行驗證，對工廠解決同類問題具有重要的借鑒意義。

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ理論的起源與發(fā)展

TRIZ理論的含義是“發(fā)明問題解決理論”，由相應(yīng)的俄文轉(zhuǎn)換成拉丁文(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch)后的首字母縮寫，其英文全稱是theory of inventive problem solving，縮寫為TIPS，即解決發(fā)明問題的理論。該理論由蘇聯(lián)發(fā)明家Altshuler及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，分析世界250萬份專利并進(jìn)行總結(jié)歸納，提取出蘊(yùn)含解決發(fā)明問題的原理及其規(guī)律后建立起來的。

20世紀(jì)90年代后期，TRIZ理論的應(yīng)用案例逐漸出現(xiàn)，并取得了一些研究成果。進(jìn)入21世紀(jì)以來，研究TRIZ的學(xué)術(shù)組織越來越多，TRIZ理論的發(fā)展和傳播處于加速階段，進(jìn)入了發(fā)展黃金期。

1.2 TRIZ理論的主要內(nèi)容

TRIZ創(chuàng)新理論廣泛應(yīng)用于多行業(yè)、多領(lǐng)域解決問題，找到創(chuàng)造性的解決方案。包括創(chuàng)新思維方法、40條發(fā)明原理及應(yīng)用、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、技術(shù)矛盾及其求解、物-場模型、76種標(biāo)準(zhǔn)解法以及ARIZ(algorithm for inventive-problem solving)算法，可以協(xié)助人們獲得發(fā)明問題的最有效解。

1.3 TRIZ理論的流程

TRIZ理論有獨特的先進(jìn)性，集成了各領(lǐng)域解決同類問題的知識和經(jīng)驗，利用該理論可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。TRIZ理論解決問題流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題流程

TRIZ理論解決發(fā)明創(chuàng)造問題需要4個環(huán)節(jié)：

(1)設(shè)計者首先將待改善的工程問題表達(dá)為TRIZ理論問題，把待改善的技術(shù)項目進(jìn)行定義；

(2)利用TRIZ理論的工具，如發(fā)明原理、沖突矩陣、創(chuàng)新解等，求出適用于普遍發(fā)明問題的模擬解；

(3)將模擬解代入工程問題類比，通過仿真或試驗的方法確認(rèn)解的可靠性；

(4)進(jìn)行合理性評價，利用對應(yīng)的創(chuàng)新方法解決實際問題。

2 基于TRIZ理論的活塞桿優(yōu)化

2.1 問題的描述

圖2為AB03車型減振器，在安裝時，需固定塔頂并安裝上部螺帽組，將塔頂上表面與全牙螺栓略為鎖緊，鎖緊螺母的同時需要用扳手將活塞桿固定。但是使用扳手固定活塞桿時，若旋緊螺栓用力太大，常會將活塞桿的內(nèi)六方結(jié)構(gòu)損壞；若旋緊螺栓用力較小，則在車輛行駛過程中會產(chǎn)生噪聲。圖3為活塞桿頂部放大圖。以上問題由減振器活塞桿頂端內(nèi)六角引起，增加了該車型減振器的安全隱患，大大提高產(chǎn)品的成本。

圖2 AB03車型減振器

圖3 活塞桿頂部放大圖

2.2 TRIZ理論矛盾矩陣的建立

為了解決以上問題，先給出這一工程問題的矛盾點，即預(yù)改善的問題是螺母可旋緊的程度，隨之惡化的問題是活塞桿頭部的變形。將這一問題轉(zhuǎn)化為TRIZ理論的標(biāo)準(zhǔn)問題：預(yù)改善的參數(shù)定義為可操作性，惡化的參數(shù)定義為形狀。TRIZ矛盾矩陣見表1。

表1 TRIZ矛盾矩陣

由TRIZ矛盾矩陣所示，創(chuàng)新原理適用序列為No.15、No.34、No.29和No.28。TRIZ理論及其具體內(nèi)容見表2。

表2 TRIZ理論及其具體內(nèi)容

2.3 解決問題方案的提出

由表2中的TRIZ理論及其內(nèi)容可以看出，表中的4項創(chuàng)新發(fā)明原理是利用TRIZ矛盾矩陣得出的改善這一工程問題的最優(yōu)解。通過分析和對比可以發(fā)現(xiàn)，No.15動態(tài)化原理對改善活塞桿頂端內(nèi)六角損壞的問題具有較好的指導(dǎo)作用。根據(jù)NO.15動態(tài)化原理的第(2)條，即將物體分割，使其各個部位改變相對位置，可嘗試將原活塞桿的內(nèi)六方分割為內(nèi)七方，使其與扳手接觸的受力面積增大，以達(dá)到單位應(yīng)力降低的效果。

3 基于Adina的隱式動態(tài)有限元分析方法

3.1 減振器活塞桿及扳手有限元模型

本文需要解決的核心工作區(qū)域發(fā)生在減振器活塞桿頂端的內(nèi)六角與扳手之間的作用力，因此需要建立減振器活塞桿內(nèi)六方與扳手的有限元模型。下面分別討論內(nèi)六方活塞桿和內(nèi)七方活塞桿與扳手有限元模型及求解結(jié)果。

內(nèi)六方活塞桿與扳手的有限元模型如圖4所示，內(nèi)七方活塞桿與扳手的有限元模型如圖5所示。為避免網(wǎng)格尺寸大小不一致造成的精度缺失，對模型中的倒角和圓角進(jìn)行過濾處理，考慮到計算機(jī)CPU的計算能力及求解時間，只建立減振器活塞桿與扳手工作核心區(qū)域的有限元模型。對模型采用10節(jié)點網(wǎng)格劃分，以確保有限元計算精度。其中、參數(shù)分別選取0.50和0.25。

圖4 內(nèi)六方活塞桿與扳手的有限元模型

圖5 內(nèi)七方活塞桿與扳手的有限元模型

活塞桿材料的主要物理屬性見表3。

表3 活塞桿材料的主要物理屬性

3.2 設(shè)定邊界條件和接觸面

減振器活塞桿上端螺栓擰緊的過程是力逐漸加大的過程，可考慮為扳手對上端螺栓反作用力的逐漸加大過程，即假設(shè)活塞桿上端不動，力加載在扳手上，扳手力矩從0加大到最大扭力值，如圖6所示。

圖6 活塞桿內(nèi)角施力變化情況

3.3 仿真分析

對旋后活塞桿內(nèi)六方和內(nèi)七方的受力情況及變形進(jìn)行對比分析。圖7為旋后活塞桿頂端位移云圖對比，為便于觀看，將其內(nèi)角處放大。由圖可以看出，內(nèi)六角活塞桿內(nèi)角處在、向的位移均大于內(nèi)七角活塞桿內(nèi)角處位移。圖8為旋后活塞桿頂端應(yīng)力云圖對比。

圖7 旋后活塞桿頂端位移云圖對比

圖8 旋后活塞桿頂端應(yīng)力云圖對比

由圖8可以看出，內(nèi)七角處應(yīng)力比內(nèi)六角處應(yīng)力分布明顯發(fā)散，應(yīng)力比內(nèi)六角更小。

4 結(jié)論

(1)本文針對AB03車型減振器連接點安全隱患問題進(jìn)行研究，分析減振器活塞桿內(nèi)六角與扳手之間的矛盾點，建立TRIZ理論矛盾矩陣，得到了解決問題的創(chuàng)新方法，并優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

(2)為驗證優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對活塞桿內(nèi)六方和內(nèi)七方結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及有限元仿真分析，獲得了兩者的應(yīng)力云圖和位移云圖。

(3)仿真分析結(jié)果表明：優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分散，應(yīng)力和位移均有下降。說明通過TRIZ理論對該產(chǎn)品的優(yōu)化方向是正確的。此方法能夠快速、準(zhǔn)確且低成本解決同類問題，具有推廣價值，在工程上有一定借鑒意義。