基于Optistruct的汽車制動(dòng)盤防塵罩形貌優(yōu)化

劉俊峰等

摘要：汽車制動(dòng)盤防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不足將對(duì)汽車行車安全構(gòu)成隱患。利用HyperWorks軟件建立某汽車制動(dòng)盤防塵罩的有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，以提高制動(dòng)盤防塵罩的結(jié)構(gòu)固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)，在OptiStruct模塊中對(duì)防塵罩外殼進(jìn)行形貌優(yōu)化，結(jié)合沖壓制造工藝，設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的最佳布置方案，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的防塵罩第1階固有頻率提高，優(yōu)化效果明顯，滿足設(shè)計(jì)要求。最后通過算例對(duì)加強(qiáng)筋高度、寬度、起筋角進(jìn)行參數(shù)化運(yùn)算，得出加強(qiáng)筋參數(shù)對(duì)于薄壁鈑金件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)盤防塵罩；固有頻率；模態(tài)分析；形貌優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）01-0029-05

1引言

汽車制動(dòng)盤防塵罩是汽車制動(dòng)盤的重要保護(hù)部件，防塵罩強(qiáng)度和剛度不足，在遭受石子等異物撞擊后容易發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致防塵罩與制動(dòng)盤發(fā)生不正常的接觸摩擦，造成制動(dòng)異常，影響車輛的制動(dòng)性能，對(duì)整車的行車安全造成潛在威脅。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)和軟件將研究目標(biāo)的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，在充分考慮設(shè)計(jì)約束的前提下尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)。賈維新等通過形貌優(yōu)化和振動(dòng)噪聲分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的輻射噪聲；侯獻(xiàn)軍等利用模態(tài)分析和形貌優(yōu)化得出消聲器端蓋的加強(qiáng)筋布置方案，提高消聲器的固有頻率；姜衛(wèi)遠(yuǎn)以電池中置、輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的非承載式車身底盤車架為研究對(duì)象，采用拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方法，對(duì)電動(dòng)汽車底盤開發(fā)方法和流程進(jìn)行研究；張偉等以某型電動(dòng)汽車為實(shí)例，通過建立白車身拓?fù)鋬?yōu)化模型、有限元概念模型、尺寸優(yōu)化模型和樣車，進(jìn)行從整車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到車身梁截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車白車身的正向設(shè)計(jì)；王魯斌通過對(duì)某車型汽車ESP支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化聯(lián)合優(yōu)化分析，有效解決了支架工作應(yīng)力大和疲勞強(qiáng)度不足的問題；M.S.Adzman等通過對(duì)形貌優(yōu)化后的汽車鈑金零件進(jìn)行數(shù)值模擬和回彈模擬，研究了加強(qiáng)筋位置和尺寸對(duì)于幾何回彈的影響，并開發(fā)了一種無彈性的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。上述研究主要針對(duì)汽車車身及其零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而對(duì)汽車鈑金類零件的形貌優(yōu)化及加強(qiáng)筋參數(shù)影響規(guī)律的研究卻不多。

本文利用Hypermesh建立汽車制動(dòng)盤防塵罩的有限元模型，通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)防塵罩的整體模態(tài)頻率偏低，不能滿足工作要求；以提高其第一階固有頻率為目標(biāo)，在Optistruct模塊中用形貌優(yōu)化功能對(duì)防塵罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種布置加強(qiáng)筋的優(yōu)化方案并進(jìn)行驗(yàn)證；最后通過算例分析加強(qiáng)筋參數(shù)對(duì)鈑金件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2防塵罩的模態(tài)分析

2.1有限元建模

應(yīng)用Hypermesh對(duì)原始汽車制動(dòng)盤防塵罩進(jìn)行有限元前處理。去除不必要的倒角圓孔，兩個(gè)螺栓處用RBE2單元模擬連接。取基本單元尺寸為2.5mm，設(shè)置單元厚度為1.0 mm，單元類型定義為四邊形殼單元。最終單元數(shù)為4276個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4425個(gè)。防塵罩有限元模型如圖1，兩個(gè)安裝螺栓處的A、B兩點(diǎn)六個(gè)自由度全約束。

2.2材料力學(xué)參數(shù)

制動(dòng)盤防塵罩所用材料為ST14冷軋鋼板，具有良好的強(qiáng)度和拉伸延展性能。材料的具體力學(xué)參數(shù)如表1所示：

2.3模態(tài)計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用OptiStruct求解器對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，第1、2階模態(tài)振型結(jié)果如圖2、圖3所示，防塵罩外圓環(huán)部分結(jié)構(gòu)剛度低，振幅較大，施加約束的螺栓區(qū)域及圓心周邊剛度較高，振幅較小。為避免車輛在行駛時(shí)防塵罩的結(jié)構(gòu)固有頻率與路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)一致或接近而造成共振，設(shè)計(jì)要求制動(dòng)盤防塵罩的第1階模態(tài)頻率大于105Hz，而原始方案的第1階模態(tài)頻率僅為43.8Hz，故需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化。

3防塵罩的形貌優(yōu)化

3.1形貌優(yōu)化的設(shè)計(jì)流程

基于防塵罩的模態(tài)分析結(jié)果，對(duì)防塵罩進(jìn)行形貌優(yōu)化，以優(yōu)化結(jié)果作為參考，結(jié)合沖壓加工工藝和成本控制，提出進(jìn)一步的優(yōu)化方案，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)驗(yàn)證，從而可以快速的設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化模型。形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖4所示：

3.2形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

形貌優(yōu)化的本質(zhì)是在約束條件下對(duì)三維薄殼結(jié)構(gòu)離散處理后所得的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)調(diào)整，獲得滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳節(jié)點(diǎn)位置，將優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)重構(gòu)曲面，得到最佳形貌。

形貌優(yōu)化過程中將防塵罩分為非設(shè)計(jì)區(qū)域和設(shè)計(jì)區(qū)域兩部分，如圖5所示。為滿足防塵罩的實(shí)際安裝條件，避免起筋后與制動(dòng)盤發(fā)生干涉，選取防塵罩上的部分區(qū)域作為優(yōu)化區(qū)域。優(yōu)化區(qū)域的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定義為設(shè)計(jì)變量，非設(shè)計(jì)區(qū)域的所有單元節(jié)點(diǎn)在優(yōu)化過程中坐標(biāo)保持不變。

約束條件主要為起筋參數(shù)的設(shè)置。如圖6所示，根據(jù)單元尺寸的大小確定最小起筋寬度為B=5mm，起筋角θ=60°，設(shè)置緩沖區(qū)域，并根據(jù)沖壓加工工藝和材料成型特性確定起筋的最大高度為H=4mm。Hypermesh中常見的加強(qiáng)筋布置的模式組合有無約束分布圓肋式（none）、線性分布式（linear）、輻射分布式（radial）、圓周分布式（circual）、平面分布式（planar）。為了便于制造加工，在模式組合選項(xiàng)中選擇圓周分布式加強(qiáng)筋的加工方式約束。

為能盡可能提高防塵罩結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化目標(biāo)定義為防塵罩第一階模態(tài)頻率最大化。

該形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可表述為：