基于多系統協同的鑄改鍛多目標優化研究

李文博，盛小濤，王冬艷，吳 進，姜偉健，王成勇

（1.合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009；2.山東德泰機械制造集團有限公司，山東 泰安 271229）

0 引言

不同的消費者對汽車使用要求雖有區別，但對燃油經濟性的要求基本一致。一般認為當整車質量下降10%，燃油消耗會降低4.75%[1]，為達到此目的需要汽車設計人員綜合運用多種方法和新技術，持續對產品進行輕量化優化設計，可以通過更改產品材料、結構和生產工藝來實現[2]。上述多個環節同步優化過程中必然涉及多種設計方法、多種設計軟件和多種分析系統，需要針對具體產品研發一套綜合優化設計方案?，F針對載貨汽車后懸架系統中板簧吊耳支架鑄改鍛輕量化過程中的結構設計、材料替換和有限元分析等環節，研究建立多目標優化方法。

該方法的可行性得益于計算機設計技術的發展和數值仿真技術的應用[3]。產品的優化設計可以通過綜合運用不同軟件的優勢，加速產品從設計到開發的實現[4]。基于上述研究目標，提出一種基于三維CAD系統、力學分析系統和體積成形有限元分析系統[5]的多系統協同綜合設計方案，用于解決實現產品優化過程中的多種問題。

1 綜合設計方案

基于前期相關產品預研的經驗，設計了圖1所示的綜合設計方案。根據產品理論服役條件和總成裝配結構尺寸，先利用三維CAD系統建立符合要求的產品幾何結構模型，再根據整車道路試驗過程中所采集的各工況下的路譜數據，獲取產品在極限狀態下承受的最大載荷。依據安全規范，增加一定的安全裕度，設計產品的初步承載結構，以此結構為基礎利用力學分析系統對產品不同工況下的應力峰值變化進行分析?；谄嚦休d件失效準則，引入結構安全系數用于判斷產品結構的合理性。產品結構定型后，再使用體積成形有限元分析系統模擬相應的成形過程，驗證成形工藝的合理性并預測鍛造過程中可能出現的工藝缺陷。

圖1 綜合設計方案

整體方案的實施過程中，如果靜力分析得到產品的安全系數小于1，則重新進行產品結構的優化，重復產品結構優化及結構強度分析過程；當安全系數大于1，則證明產品在瞬時的極限狀態下可以承受外力沖擊；當極限狀態下安全系數大于1.2，則產品不會出現疲勞斷裂，結構優化迭代過程停止。在鍛造模擬分析過程中，其優化循環原理與承載分析過程相似，即模擬分析過程中得出的結果存在缺陷時，返回鍛造工藝的制定過程，調整相關參數，并最終排除鍛造過程中的各類缺陷。按照圖1所示方案，可以預測產品結構和新工藝開發過程中的各種缺陷，逐步優化產品結構，完善產品的生產工藝，為產品輕量化升級提供保證。

2 基于綜合設計方案的鑄改鍛實例

板簧吊耳支架是縱置鋼板彈簧懸架中的安全件，當該產品出現失效時，會導致整車失效甚至影響駕乘人員的安全[6]。在汽車懸架系統輕量化項目中，吊耳支架輕量化是關鍵子項目之一。采用圖1所示綜合優化方案對板簧吊耳支架進行鑄改鍛開發。板簧吊耳支架原始結構如圖2所示，整體呈現較復雜的籠式外形，并采用了多種變厚直壁和非對稱加強筋的形式對產品結構進行加強，該產品無法采用鍛造工藝進行加工。

圖2 板簧吊耳支架

2.1 產品安全系數

支架的斷裂有多種形式，主要有：受力超出材料屈服強度時出現的脆斷、受力低于屈服強度時出現的疲勞斷裂[7]。產品優化初期，需要避免產品由于結構不合理造成的應力集中和由此產生的脆性斷裂；在產品的進階優化過程中，則要對應力流進行一定的分散，使產品在承受各方向沖擊時，具備更高的安全系數。產品在各工況下的安全系數可以通過式（1）進行初步估算。

其中，S為產品的最小安全系數，σs為產品的屈服強度，max為最大等效應力。如果S＜1，則在極限沖擊作用下，產品的最大等效應力大于材料的屈服強度，產品會出現塑性變形和受剪截面減小，極限工況下產品出現斷裂失效。

2.2 產品服役工況分析

產品受力主要來自于3種工況：①當車輛快速通過顛簸路面時，地面反饋產生的垂直沖擊載荷；②當車輛緊急制動時，由于車身慣性產生的縱向沖擊力；③當車輛快速轉彎時，由于車身慣性產生的橫向沖擊力[8]。產品匹配的車輛后軸的載荷通常≤90 kN，由此算出單個支架在靜態下承受的最大負荷≤4.4 kN，原校核過程取等級公路的路面激勵作為依據，計算支架承受的載荷，在產品遇到惡劣路況時，失效幾率大幅升高；因此為確保產品強度，收集惡劣工況下的路面激勵，根據收集的數據，垂直方向最大加速度為2 g（g=9.8 m/s2），制動時最大制動加速度約為1 g，橫向轉彎最大加速度為0.4 g。在此基礎上乘以一定的極限系數，該極限系數是對測得的車輛加速度增加的倍數，為經驗取值，用于計算不同工況下產品的受力及安全裕度，建立分析用工況參數及模型時按表1方案執行。

表1 支架各工況分析條件

2.3 分析模型建立

為了準確模擬支架的受力，采用虛擬螺釘（用bolt指令建立）將支架定義為連接在車架腹面上，支架與車架間不存在相對運動，所以固定車架有6個自由度，然后根據不同工況，選擇主要受力面。由于產品間配合關系固定，產品在工藝更改前后的受力模型不會發生變化，可按近似方式進行受力模型的建立。圖3所示為整車在承受側向沖擊時支架的分析模型，轉向過程中，車身在離心力作用下，從Y方向向車架外側擠壓支架，分析過程的主要受力面按此規則選定；載荷先根據上述計算的加速度值結合表1內的極限系數，計算整車在實際工況下各向的極限加速度，進而計算支架在不同工況下所受的沖擊。在該理想狀態下，可以得出支架的受力及失效趨勢，一般情況下車輛行駛中車身加速度不會超出該范圍。

圖3 支架受力CAE分析模型

2.4 產品有限元分析及結構優化

為了得到支架在極限工況下的最大等效應力，采用力學分析系統對支架進行有限元分析，并根據分析結果對支架進行結構優化。先對產品原結構進行分析，結果如圖4所示。

圖4 最大等效應力云圖

圖4（a）所示為支架在承受垂直方向極限沖擊載荷時的應力云圖，在下方加強筋的根部出現最大應力值422 MPa；圖4（b）所示為橫向沖擊工況下的應力云圖，最大應力出現在下加強筋與耳板的結合部，達到458 MPa。原支架材料為QT500-7，最大屈服強度為360 MPa，根據式（1）計算，產品安全系數S＜1?？梢圆捎猛負鋬灮姆绞綄χЪ苓M行優化[9]，但從拓撲優化后的支架強度分析結果可知，優化結果無法達成輕量化設計的目標，因此結合產品結構特征、鑄造工藝、拓撲優化及圖1中研究方案，對產品輕量化設計的方向變為鑄改鍛，優化后的結構如圖5所示。

優化后相應的產品應力分析云圖如圖6所示。在極限狀態下，鍛造支架的最大應力出現在加強筋的下部，最大應力值620 MPa，即材料由QT500-7調整為40Cr且工藝改為鍛造后，產品的安全系數提高至S=1.26，達到了預期強度目標。結構的更改使支架對橫向沖擊變得不再敏感，并且制動沖擊載荷相對較小。優化過程中，支架的質量減輕了42%，達到了產品鑄改鍛的結構優化目標。

圖5 采用鍛造工藝的產品外形

圖6 產品最大等效應力

2.5 產品的制造工藝優化

為了保證支架采用鍛造工藝順利成形，同時保證實現成本控制目標，需要對產品的成形質量、成形的難易程度及可能需要的生產設備及加工時間進行綜合分析[10]。提高金屬的填充率、避免缺陷的出現、降低模具損傷是工藝優化的主要目的[11]。

2.5.1 產品材料選擇

材料的選擇考慮以下方面：支架局部能承載620 MPa以上應力，并在該應力作用下保證一定的安全系數，常用鋼材40Cr可滿足該應力要求，其屈服強度為785 MPa，抗拉強度為980 MPa。40Cr是載貨汽車常用的結構件材料之一，采購及成本易控制；熱處理硬度為32～36 HRC，具有良好的綜合力學性能、低溫沖擊韌性和較低的缺口敏感性。該鋼材的淬透性良好，水淬時可淬透到φ28～φ60 mm，油淬時可淬透到φ15～φ40 mm。該材料具備較好的耐磨性且適合進行表面硬化處理，滿足該產品的服役要求。

原支架材料和重新選擇工藝后的加工材料參數如表2所示，新選用材料的屈服強度提高至原材料的2倍以上。

表2 材料強度參數

2.5.2 成形工藝分析

產品結構優化過程中已經考慮了產品的分型、加強筋等結構的設置，結合成本控制要求，保留了支架的原固定孔，這使產品在成形過程中需要向固定孔方向產生較大的變形量，以形成支架的安裝基座部分。產品基座外形不對稱、形狀復雜、成形難度大[12]；如果采用單道次成形，型腔有可能出現填充不足的問題，需要采用體積有限元分析系統確定成形效果[13]。共制定2種成形工藝方案，即單道次成形和兩道次成形，分別進行塑性變形過程模擬仿真，以對比分析2種方案的優劣。

2.5.3 鍛造過程仿真

圖7所示為單道次成形間隙圖，經2次參數調整后，在銷軸部分仍然難以填充飽滿。雖然單道次成形過程中最終成形時所需的壓力和時間均可滿足生產設備和生產節拍要求，但由于金屬在軸向的流動不足，導致型腔無法完全充滿，該方案無法實現產品的最終成形。

圖7 單道次成形間隙

兩道次成形模擬：結合單道次成形模擬結果，增加了產品的預鍛過程，首先對銷軸部分進行縮徑鍛造拉長，同時對支架的安裝部分進行擴徑聚料。經過模擬，最終成形效果如圖8所示，第一道次和第二道次的成形時間控制在4.5 s以內，符合生產節拍需要；產品未出現折疊和填充不足等問題，產品加工所需設備的壓力也得到了有效改善，由圖9可知，成形所需的壓力分別降低至5 000 kN和16 000 kN以下，可有效降低加工成本。

圖8 第二道次成形間隙

圖9 兩道次成形行程-載荷

2.6 產品試制及推廣使用

為了確保產品符合使用要求，按照單件試制→小批量試驗→批量投放的過程對支架進行試生產，安裝情況如圖10所示，安裝狀態良好，且潤滑結構部分的密封較優化前更可靠。根據檢驗、道路試驗及實際載貨，產品的耐沖擊和耐疲勞性能均滿足要求。結合實際使用情況，通過鑄改鍛工藝優化的成功應用，達到了減輕質量、提高強度、降低制造成本、改善潤滑環境等目標，目前該輕量化結構產品逐步推廣應用到相關汽車懸架系統中。

3 結束語

圖10 產品應用情況

（1）通過多系統的綜合運用，搭建了基于多系統的產品鑄改鍛開發平臺，在開始進行產品設計時考慮產品結構強度、成形工藝、生產節拍等因素，提高了成形產品的強度、改善了成形工藝性及降低了制造成本。

（2）將產品的安全系數和應力趨勢作為產品結構的優化依據，以相關參數作為工藝優化的依據，提高了產品強度，降低了加工設備所需的壓力。

（3）所制定的綜合研究方案在鑄改鍛產品開發過程中得到有效驗證，滿足了輕量化設計的多種指標要求，該研究方案可以為類似產品的輕量化設計提供參考。