車輛吊耳支架結構優化分析研究

劉勺華，邵亭亭，路紀雷

(1.常州機電職業技術學院 車輛工程學院，江蘇 常州, 213164；2.南京徐工汽車技術中心，江蘇 南京 210012)

車輛吊耳支架結構優化分析研究

劉勺華1，邵亭亭1，路紀雷2

(1.常州機電職業技術學院 車輛工程學院，江蘇 常州, 213164；2.南京徐工汽車技術中心，江蘇 南京 210012)

大多數重型車輛均采用吊耳支架將懸掛系統與車架連接，為車架與懸掛系統的關鍵承載零件之一。基于拓撲優化理論及有限元方法，使用Hyperworks中OptiStruct優化設計模塊，對吊耳支架進行了拓撲優化，以在強度允許的前提下取得最佳的材料分布，使得質量最小。優化后進行了CAD模型重構，經與原件的靜強度和模態比較結果表明：新設計的零件較原零件質量降低34.07%，一階模態提高6.81%，最大應力降低5.38%。此優化方法對車輛結構設計改進具有實際工程指導意義。

車輛工程；吊耳支架；拓撲優化；Hyperworks；模型重構

0 引 言

隨著消費者對汽車車速和油耗的日漸關注，汽車輕量化已經越來越被各汽車廠家所重視。筆者借助Altair公司旗下的Hyperworks軟件，對重卡汽車普遍采用的吊耳支架進行應力約束下的拓撲優化設計，以在強度允許的前提下取得最佳的材料分布，使得質量最小。通過整個設計分析流程證明，任何汽車零件都有優化設計的空間，新車設計時應當充分考慮汽車的輕量化問題。

筆者以國內重型車輛吊耳支架為研究對象，借助CAE分析手段對該裝置進行建模、優化、分析、重構，使其強度符合要求，重量降低。強度分析結果表明，利用CAE軟件進行吊耳支架優化研究可以改善結構設計，提高汽車的自身重量，從而縮短開發周期，降低開發費用，提高市場競爭力[1-3]。

1 有限元模型的建立

1.1 優化前吊耳支架建模

吊耳支架是重型車上連接懸掛系統與車架的，起著傳遞縱向力，承載垂向力的作用。目前大多重型車上的吊耳支架均為鑄造件。將CATIA中某現有的吊耳支架三維實體模型轉換成iges格式后導入Hypermesh中進行有限元的前處理—網格劃分[4-5]。為了得到高質量的網格，在劃分之前將實體模型拆分成易于劃分六面體的單個實體的組合。最后得到圖1的吊耳支架模型，模型包含77 135個實體單元，35 431個節點。

圖1 優化前吊耳支架模型Fig.1 Lug bracket model before optimization

1.2 邊界條件

吊耳支架在實際使用時，是將Z方向的4個孔與縱梁側面連接，X方向的3個孔與縱梁下翼面連接，下方2個3角形支撐板上的孔連接板簧，如圖2。在汽車的實際運行過程中，吊耳支架的受力情況比較復雜。按照不同工況分類，吊耳支架大致可分為垂直上跳、垂直下跳、制動和側向力4種工況。因此，在分析時，約束情況是將吊耳支架端面3個螺栓孔及側面4個螺栓孔自由度全部設為0，至于載荷的加載則根據不同的工況在安裝板簧的銷孔處施加不同方向的力。

圖2 吊耳支架安裝位置示意Fig.2 Mounting position of lug bracket

1.3 計算結果

劃分完網格，施加約束及載荷條件后將有限元模型導入到Hyperworks的optistruct模塊進行求解，得到已有吊耳支架的應力云圖，如圖3。

圖3 吊耳支架強度校核Fig.3 Strength check of lug bracket

2 吊耳支架拓撲優化

2.1 分設計與非設計區域

由圖3可以看出，現有的吊耳支架最大應力為167.34 MPa，遠遠低于材料的許用應力355 MPa。因此，該構件有較大的優化空間。但是考慮到構件與其他零件之間的連接，需要設定設計區域和非設計區域，其中非設計區域不在優化范圍。圖4為劃分區域之后，待優化的吊耳支架有限元模型。

圖4 劃分設計區域和非設計區域Fig.4 Division of design and non-design region

圖4中7個圓柱形區域為螺栓安裝部位，是非設計區，其他區域為設計區。分別為設計區域和非設計區域劃分網格之后還要將2個區域的網格節點耦合，通過這種方法將設計區域和非設計區域合成一體。

2.2 優化的數學模型

優化設計有3要素，即設計變量、目標函數和約束條件。優化設計的數學模型可表述為

f(X) =f(x1,x2，…，xn)

(1)

約束條件：

L≤xi≤Ui= 1,…,n

(2)

g(X)<0

(3)

式中：X=x1,x2，…，xn為設計變量；f(X)是目標函數；L為變量下限；U為變量上限；g(X)為不等式約束函數。

在優化中，目標函數f(X)，約束函數g(X)是從有限元分析中獲得的結構響應。設計變量X是一個矢量，它的選擇依賴于優化類型。在拓撲優化中，設計變量為單元的密度[6-8]。Optistruct結構優化設計的具體流程如圖5。

圖5 結構優化設計流程Fig.5 Design flow of structure optimization

3 拓撲計算及零件重構

3.1 優化結果

前處理完成后調用Optistruct模塊進行分析。體積分數沿迭代次數的變化在第17次迭代之后，結果收斂，優化過程結束。打開Hyperview，查看第17步的優化結果(單元密度閾值取0.1)，如圖6[9-11]。

圖6 優化結果Fig.6 Optimization result

3.2 零件重構

返回HyperMesh窗口，在后處理Post 面板將第17步結果讀入，并使用OSSmooth 命令將優化后的單元格光順成ISO 曲面，ISO 曲面閥值同樣取0.1，

光順結果如圖7(a)。參考輸出的曲面，在CATIA中對零件進行重構，得到新設計的零件，如圖7(b)。

圖7 零件重構Fig.7 Parts reconstruction

4 重構模型驗證

重新構造的模型還需要CAE分析驗證，與原零件對比。如果經對比分析，新設計零件比原零件具有優勢，設計方案才算完結。新設計零件4種工況下的的應力分布云圖，如圖8。

圖8 新零件吊耳支架強度校核Fig.8 Strength check of new part lug bracket

將原零件與新零件分析結果進行3方面對比得表1。

表1原零件與新設計零件對比

Table1Comparisonoforiginalpartandnewdesignpart

零件質量/kg最大應力/MPa最大應力工況原支架新支架6．814．49169163側向力工況

筆者是借助 CAE 分析手段對該構件進行分析、重構，使其構件輕量化，為設計改進提供了重要參考依據。這種方法對于整車企業縮短開發周期，降低開發費用，提高市場競爭力很有幫助。在實踐應用過程中，模擬計算結果也基本上與實際受力過程相一致,仿真所用的外力是汽車實際使用過程中的極限工況下的最大載荷。當極限工況下部件受力情況滿足使用要求時，普通工況也能滿足。

影響材料疲勞性能的因素除最大應力外，還有構件尺寸、表面光潔度、表面處理、使用溫度及環境等其他因素。根據名義應力應變法及材料S-N曲線，當影響因素一致時，最大應力降低，疲勞壽命肯定會有所提高。

5 結 語

筆者在CATIA中建立了重型車輛吊耳支架三維模型，并利用Hyperwoks軟件建立有限元模型，對吊耳支架4種常見工況進行強度校核分析，并進行了吊耳支架拓撲優化，拓撲計算及零件重構。經過對比，新設計的零件較之原零件質量降低34%、最大應力降低3.5%。新設計的零件不僅能滿足強度要求，而且其質量比原件有所降低。筆者通過完整的流程證明了只要是零部件就可能存在優化的空間，為車輛輕量化研究提供一定的理論依據，本優化方法對車輛結構設計改進具有實踐工程指導意義。

[1] 劉勺華,房亞，路紀雷，等. 汽車后防護裝置有限元強度分析研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2015,34(2): 137-140.

LIU Shaohua, FANG Ya, LU Jilei, et al. Finite element strength analysis of automotive rear defend device[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015, 34(2): 137-140.

[2] 上官文斌,黃志,賀良勇，等.汽車排氣系統吊耳動剛度優化方法的研究[J].振動與沖擊,2010,29(1): 100-102,152.

SHANGGUAN Wenbin, HUANG Zhi, HE Liangyong, et al. Modeling and optimization method of dynamic stiffness for automotive exhaust system hangers[J].JournalofVibrationandShock, 2010, 29(1): 100-102,152.

[3] 李卓，周勁松，張學銘，等. 地鐵車輛軸箱吊耳動態分析和優化[J].計算機輔助工程，2012,21(1): 27-31.

LI Zhuo, ZHOU Jinsong, ZHANG Xueming, et al. Dynamic analysis and optimization of lifting lug fixed to axle box of metro vehicle[J].Computer Aided Engineering, 2012, 21(1): 27-31.

[4] BELYTSCHKO T , LIU W K,MORAN B. 連續體和結構的非線性有限元[M].莊茁，譯.北京:清華大學出版社, 2002.

BELYTSCHKO T, LIU W K, MORAN B.NonlinearFiniteElementsforContinuaandStructures[M].ZHUANG Zhuo, translation. Beijing: Tsinghua University Press, 2002.

[5] 王勖成,邵敏.有限單元法基本原理和數值方法[M].北京:清華大學出版社, 2003.

WANG Xucheng, SHAO Min.TheBasicPrinciplesoftheFiniteElementMethodandNumericalMethods[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2003.

[6] 柴山，郭明，徐上海，等. 車輛鋼板彈簧懸架的有限元模型[J].江蘇大學學報(自然科學版),2015,36(1): 16-22.

CHAI Shan, GUO Ming, XU Shanghai, et al. Finite element models for vehicle leaf spring suspensions[J].JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition), 2015, 36(1): 16-22.

[7] 尚志誠，胡 葳，劉一鳴. 重型牽引車空氣懸架鋼板彈簧支架強度分析與優化[J].客車技術與研究,2015(3): 4-7.

SHANG Zhicheng, HU Wei, LIU Yiming. Strength analysis and optimization on leaf spring holder in air suspension of heavy traction vehicle[J].Bus&CoachTechnologyandResearch, 2015(3):4-7.

[8] 肖乾，方駿，譚祖賓，等. 鐵路軌檢車軸箱振動特性分析[J].鐵道機車車輛，2015,35(2): 10-13.

XIAO Qian, FANG Jun, TAN Zubin, et al. Axle-box vibration characteristic analysis for a railway track inspection vehicle[J].RailwayLocomotive&Car, 2015, 35(2): 10-13.

[9] 趙婷婷，李長波，王軍杰，等. 基于有限元法的某微型貨車車身疲勞壽命分析[J].汽車工程，2011,33(5): 428-432.

ZHAO Tingting, LI Changbo, WANG Junjie, et al. Fatigue life analysis of a mini truck body based on FEM[J].AutomotiveEngineering, 2011, 33(5): 428-432.

[10] 張仁斌, 黃義勇, 成全勝. 基于 ABAQUS 的某微型車輛轉向支架優化分析[J].機械設計與制造，2012(7): 191-193.

ZHANG Renbin, HUANG Yiyong, CHENG Quansheng. Optimization analysis of micro-car steering bracket based on ABAQUS[J].MachineryDesign&Manufacture, 2012(7): 191-193.

[11] 李樂新，沈智達，雷濟平. 安全氣囊ECU支架的頻響分析及模態優化[J]. 機械設計與制造，2012(4): 273-275.

LI Lexin, SHEN Zhida, LEI Jiping. Frequency response analysis and modal optimization of airbag CEU bracket[J].MachineryDesign&Manufacture, 2012 (4): 273-275.

OptimizationAnalysisonVehicleLugBracketStructure

LIU Shaohua1, SHAO Tingting1, LU Jilei2

(1.School of Automobile Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, P.R.China; 2.Nanjing Xugong Automobile Manufacturing Co. Ltd., Nanjing 210012, Jiangsu, P.R.China)

As one of key bearing parts of the suspension system and the frame, lug bracket was used by most heavy vehicles to connect the suspension system and the frame. Based on topology optimization theory and finite element method, Optistruct in Hyperworks was used to carry out the module design optimization, and the topology optimization of lug bracket was carried out, which was expected to obtain the optimal material distribution and a minimum mass in the premise of strength permit. After optimization, CAD model reconstruction was carried out. Compared with the static strength and modal of original, the results show that compared with the original parts, the quality of the new designed parts is reduced by 34.07%, the first order mode is improved by 6.81%, and the maximum stress is decreased by 5.38%. The proposed optimization method has practical engineering guidance for the improvement of vehicle structure design.

vehicle engineering; lug bracket; topology optimization; Hyperworks; model reconstruction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.19

2016-05-18；

2016-11-21

國家自然科學基金項目(51375212) ; 江蘇省高校自然科學基金項目(16KJB580012);2016年江蘇省高校優秀中青年教師境外研修項目

劉勺華(1982—)，男，山東臨沂人，講師，博士研究生，主要從事車輛動態性能模擬與控制方面的研究。E-mail:99954886@qq.com。

TP391.9；U464.134+.4

A

1674-0696(2017)11-100-06

(責任編輯：譚緒凱)