汽車零部件有限元仿真分析在課程改革中的應用

張娜，趙家堃，于振環

1.長春汽車工業高等專科學校機械工程學院，吉林長春 130011;2.長春汽車工業高等專科學校汽車工程學院，吉林長春 130011

0 引言

當今社會，科技進步日新月異，高科技成果向現實生產力的轉化越來越快。國家和民族的發展離不開創新精神，高職院校學生更應該具備創新的基本素質。創新是指以突破慣有的思維模式提出超越現實規律的思路為導向，利用現有的理論與方法，本著理想化需要或為滿足社會需求，在特定的環境中，將事物的某一特性或用途完善，并獲得一定有益效果的行為。

人力資源和社會保障部印發《“技能中國行動”實施方案》，在“十四五”期間，明確通過實施技能中國行動的提出，實現新增技能人才4 000萬人以上。高職院校的教學水平受到了更大的挑戰，學生的綜合職業能力是衡量高職院校辦校水平的重要指標。而創新精神和創新能力則是技能人才適應科技高速發展的必要條件，高水平技能人才應不滿足現有的生產方式、方法、工具、材料或是物品，敢于探索新的規律和方法，具有自己獨特的創新方法和手段。

因此，高職院校對學生創新能力的培養至關重要，也是國家實施創新驅動發展戰略、促進經濟提質增效的迫切要求[1]。

1 TRIZ創新理論

TRIZ(theory of inventive problem solving)創新理論，即為“發明問題解決理論”[2]。21世紀以來，研究TRIZ的高校、學術組織以及創新企業逐漸增多，TRIZ的傳播和發展處于高速發展階段，該理論正處于發展的黃金期。TRIZ作為一種高效的創新方法，現已被廣泛應用，工程技術領域涉及較多，并已逐步向其他領域滲透和擴展，例如醫療行業、汽車行業、工業、微電子以及教育方面均有應用案例。國內已有多名大學生運用TRIZ理論，得到了高質量的創新產品，并取得專利的成功案例。

將TRIZ理論融入教學，使高職學生的創新想法得以實現，縮短開發周期，拓寬創新性思維，幫助學生解決問題建立、問題定義、問題解決的流程[3-4]。產品的創新適用于多個領域，包括模糊前端(fuzzy front end,FFE)、新產品開發(new product development,NPD)及商品化(commercialization)3個階段，如圖1所示[5]。TRIZ創新理論在每一階段都有適合的解決方案進行產品改善，可以通過對理想解、最小問題、技術沖突、物理沖突、聰明小人法、標準解等解決創新難題[6]。

圖1 產品創新過程模型

2 創新實踐培養模式

2.1 創新問題的提出

隨著國家創新驅動發展戰略和“雙高計劃”項目的實施，創新創業教育在高職院校的推廣持續向更大范圍、更高層次和更深程度推進[1]。由于國家和政府的高度重視，高職院校也不斷鼓勵學生進行創新創業，但學生們的產出并不高，究其根本，最重要的原因之一是高職學生的創新素養問題。

無思路是高職學生創新創業遇到的最大瓶頸，傳統的教學是教師提出一個待解決問題，讓學生通過小組討論、頭腦風暴法或是其他教學手段來完成創新方法的設計。然而在“創新”中，“創”表明了“新”實現的困難，即需要經歷一個開拓性的過程[5]，高職學生恰恰在這一點上遇到的困擾較多，致使創新創業沒有突破口。TRIZ創新理論可以解決模糊前端是怎樣產生創新設想和創新設想如何選擇的問題，通過該理論的植入和練習，大大提高了高職學生的創新問題產出率，拓寬了學生思維的廣度和深度。

2.2 創新問題的解決方法

TRIZ創新理論是在分析研究世界各國250萬件專利的基礎上，提取專利中蘊含的解決發明問題的原理及其規律性之后總結出來的。所以TRIZ解決創新問題的方法較多，包括矛盾矩陣法、技術系統進化法則、九屏幕法、STC算子法、金魚法、小人法、最終理想解法、資源分析法、ARIZ算法以及因果分析法等。TRIZ的多樣性為學生解決創新問題提供了思路和方法，通過運用不同創新手段可以獲得多種創新解，大大提高了解決創新問題的效率，打開了創新的思路。

高職學生在學習生產中，經常會發現一些實踐性問題，但因方法論的限制，無法評估、檢測和解決遇到的特殊工況，為分析解決現實工況困擾，必會進行生產的創新改進。并且高職學生在創新設計過程中往往會遇到“有想法、沒辦法”的現象，原始的頭腦風暴法、試錯法、形態分析法等常用創新方法與TRIZ方法的不同，TRIZ理論是建立在科學和技術方法基礎上的專門工具，涵蓋創新思維的內涵、特征及發展過程。TRIZ的引入，可以使學生掌握一套成熟的創新方法，引導學生得出滿足實際需求的創新解，彌補高職學生創新能力的不足。同時可以解決高職學生專業實踐教學部分的課程設計、綜合實訓、創新大賽、畢業設計與創新創業等教學環節中“創新”的核心問題。

2.3 創新實踐的實施路徑

創新的思維兼具匠人的精神，是新一代高職高專學生應具備的素質，將課程思政融入創新創業教育，在對學生開展創新創業教育的同時，通過習近平新時代中國特色社會主義理論的灌輸以及職業道德教育，積極培養學生的創新創業精神[7]。

創新的想法還要依托有限元仿真和試驗來驗證，利用有限元理論，將抽象、不可視的以及難以理解的微觀原理，以可操作、可視化的形式在Adina、Abaqus等有限元軟件中展現，可以突破高職教學中微觀力學理論講解的教學困境，推進高職汽車類專業理論教學與實踐教學相結合，以此為范式，可以推廣到其他專業以及其他領域相關專業。

2.4 創新設計模型庫的建立

2.4.1 深入企業調研

進入汽車相關企業的生產一線和研發中心進行調研，獲取汽車零部件制造過程中在模具設計、加工制造、樣件檢測及批量生產等環節過程中遇到的常見問題，形成來自企業的“生產問題庫”。

2.4.2 搜集競賽資料

搜集全國職工技能大賽模具工賽項、全國機械行業職業院校技能大賽、模具智能制造技術綜合應用技能大賽、高職技能大賽模具數字化設計與制造工藝賽項等競賽的試題以及歷年創新創業大賽的案例，進行整理歸納，形成“競賽問題庫”。

2.4.3 模型的建立

針對問題庫中的問題，應用TRIZ理論，清楚分析各種創新思維方法的優勢，能夠熟練選擇并應用各個創新方法，提出ARIZ算法建立模型，理清解決復雜問題的思路。

2.4.4 模型庫的建立

針對問題庫，制作相應的“設計模型庫”，并根據不同學科建設設計相應的教學方案。

3 TRIZ創新能力培養實踐案例

3.1 創新問題的提出與表述

3.1.1 具體問題描述

汽車懸架是車輛系統的重要組成部件，減振器是懸架系統的主要部件[8-9]，其核心作用是抑制彈簧沖擊所造成的彈力振動的吸收。車輛在行駛中，減振器簧上質量由彈簧承擔，彈簧下托盤支撐來自彈簧的沖擊。所以，保證托盤的抗沖擊性對車輛安全起著至關重要作用。可以利用創新實踐理論，對減振器下托盤分析，最終得到創新解。

經系統問題描述，得出待解決的問題為：彈簧托盤強度問題。

3.1.2 減振器功能描述

減振器整體結構如圖2所示。

圖2 減振器整體結構

分離并分析車輛減振系統部分功能組件，將其功能綜合起來，描述各元件之間的關系，對系統進行功能建模[10]。減振器系統元件分析見表1。

表1 減振器系統元件分析

通過對減振器系統元件的功能分析，得出托盤耐久性不足是由于彈簧的反復沖擊造成的。托盤的主要失效形式是變形或斷裂，應分別確認托盤的各連接點功能,即分析彈簧與托盤之間的作用關系。

3.2 分析問題模型

3.2.1 定義技術矛盾(technical contradictions，TC)

TC1:如果減小彈簧對托盤的應力，會提高托盤的耐久性，但是會改變懸架的剛度，直接影響車輛的操穩性。

TC2：如果增加彈簧對托盤的應力，會降低托盤的耐久性，但是會滿足懸架剛度的需求，保證車輛的操穩性。

3.2.2 利用創新原理表解決問題

向著解決系統問題的方向進行，由于導致最終問題形成的原因是應力過大，將TC1定義為主要技術矛盾，即降低托盤所受應力，提高其可靠性。

通過TRIZ理論Matrix2003對應的創新原理表，得到欲改善工程特性對應的創新原理，即預改善特性設定為托盤與彈簧接觸處局部區域受力問題、托盤可靠性問題以及系統安全性問題，欲改善的特性對應的創新原理見表2。

表2 欲改善的特性對應的創新原理

通過表2可知，創新原理NO.3、NO.10、NO.13、NO.1和NO.28的出現率較高。通過系統分析得知，NO.3、NO.10和NO.13比較適合該矛盾的改造。Matrix2003矛盾矩陣創新原理及其具體內容見表3。

表3 Matrix2003矛盾矩陣創新原理及其具體內容

3.3 創新結論提出

原理應用：托盤所受應力減小，會增加其使用壽命，但是應力減小會影響減振系統的使用；若應力增大，會損壞托盤，增加有害功能。

預先作用原理分析：預先對物體(全部或部分)施加必要的改變，可將托盤在安裝前做局部質量的改變。即為了防止彈簧與托盤接觸處破壞托盤結構，可以在將托盤局部加厚，降低受損危險。

反作用原理分析：設定一種相反的方式來制造或執行，可以以一種相反的思路來分析托盤，不增加托盤厚度，反而將其厚度減小。

局部質量原理分析：將物體、外部環境或作用的均勻結構變為不均勻的，即可以在托盤上進行打孔處理，可分散其單位面積所受應力。

3.4 有限元仿真驗證

為確認以上嘗試的可應用性，幫助學生利用ABAQUS的隱式動態有限元分析法來仿真。計算機仿真在教學中的應用，既可驗證創新想法的可靠性，又可以讓同學們直觀地觀察到零件受力的變化。

為避免網格尺寸大小不一致造成的精度缺失，對模型中的倒角和小圓角進行過濾處理，同時對實物模型提取中性面，以提高網格的計算精度。圖3和圖4分別為減振器托盤優化前和優化后的中性面有限元模型。

圖3 減振器托盤優化前的中性面有限元模型

圖4 減振器托盤優化后的中性面有限元模型

減振器托盤優化前后位移云圖如圖5和圖6所示。由圖可知，位移變形量出現在載荷施加處，說明有限元分析結果是正確的，且優化后的位移比優化前位移值小。

圖5 減振器托盤優化前位移云圖

圖6 減振器托盤優化后位移云圖

圖7和圖8分別為減振器托盤優化前后壓力云圖。由圖可知，減振器托盤壓力變大處在力矩最大位置，說明仿真結果是正確有效的，且優化后的壓力比優化前壓力略顯分散，壓力值略低。

圖7 減振器托盤優化前壓力云圖

圖8 減振器托盤優化后壓力云圖

最終實施方案：結合工廠的生產實際，從成本、經濟效益、副作用和加工難度等，對上述8個方案進行評估，在托盤上進行打孔的方案副作用小，并且可以降低原料成本，提升理想化水平。

經過以上創新設計方法的提出和有限元仿真結果顯示，該創新方案可進行臺架試驗驗證，其試驗設備如圖9所示，耐久試驗后，試驗件的彈簧托盤均沒有破壞和裂縫。圖10為減振器托盤試驗后滑柱各零件，由圖可看出各零件保持完好。說明優化后的減振器托盤滿足試驗耐久強度要求。

圖9 減振器托盤耐久試驗設備

圖10 減振器托盤試驗后滑柱各零件

該創新案例已完成臺架試驗并應用到很多車型的減振器托盤，進行批量生產。整個設計過程均利用創新實踐方式提出創新問題的思路和解決創新矛盾點，最終得到創新解。

4 結論

通過有限元仿真與TRIZ理論教學資源的深入推廣，使高職學生和新入職教師解決問題能力和專業技能得到顯著提升。

(1)建立產品創新過程模型，系統地培養學生提出創新問題、分析創新方法和生產創新型產品的能力。

(2)“設計模型庫”的建立為高職院校提供新的思路，為創新創業課程的建立提供完備的素材。

(3)利用Abaqus的隱式動態有限元分析法來驗證創新想法，得到最優創新解。

結果表明，有限元仿真與TRIZ理論的結合可實現仿真教學與創新實踐的無縫對接，可為高職院校仿真實踐教學提供重要的參考價值。