于海上氫氣輸送的非金屬非粘結軟管”汽車橋殼零件的結構優化研究

摘要：作為車輛底盤核心部件的汽車驅動橋殼，其在整車總重量中占比較大，因此，對其進行輕量化的研究具有重大意義。以DP580雙相鋼橋殼為研究對象，對橋殼進行綜合減薄及形狀優化設計，目的是在保證橋殼強度、剛度及疲勞性前提下，實現零件結構最佳優化，降低零件重量。研究目標是確保零件的減重效果能夠達到1939%。

關鍵詞：橋殼；性能分析；輕量化；形狀優化

中圖分類號：U463 收稿日期：2024-04-17

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407025

1 前言

汽車輕量化成為當今世界各汽車生產企業關注的熱點之一。目前，為了實現輕量化，主要采取三種策略：使用創新的輕質材料、采納前沿的成型技術以及對機構進行合理的優化。其中，以高強度鋼為主的結構輕量化是最重要的發展方向之一，它可以顯著增加車身質量從而減小油耗。在汽車配件產業中，輕量化結構被視為降低重量的核心策略，因此受到了眾多汽車配件公司的高度關注[3]。

使用DP580雙相鋼這種高強度的鋼材可以明顯增強橋殼的剛度，并在特定的工作條件下增強構件的抗變形性能；采用普通強度鋼或高強合金鋼做橋面板的橋殼承載能力均能滿足使用要求。此外，使用雙相鋼作為橋梁的外殼材料能有效地增強構件的抗疲勞性能。因此，對于重載交通的公路橋梁工程而言，需要選擇合適的鋼結構作為主要支撐部件。隨著其剛度和疲勞特性的持續增強，為部件的輕量化提供了穩固的支撐。

目前，國內外學者針對橋殼的受力特點以及相關理論進行了大量深入研究。在這樣的背景下，選擇了結構輕量化的設計策略，并從形狀優化的視角出發，旨在減輕橋殼的重量，并進一步實現驅動橋殼的輕量化設計。在分析了現有研究成果后，提出一種新的方法進行橋殼造型設計并對其有限元建模與仿真計算。為了進一步優化設計，首先對橋殼進行了整體減厚處理。在此基礎上對橋殼進行拓撲優化，最終獲得橋殼最佳設計方案。在三維模型的初步構建階段，首先構建了汽車殼體模型，隨后逐步將汽車殼體整體調整至6 mm和5 mm，以探討橋殼減厚的性能分析。

2 不同壁厚的橋殼性能分析

21 6 mm壁厚的橋殼性能

為了證明優化橋殼結構的重要性，本研究首先將雙相鋼DP580橋殼的厚度減少到6 mm，并進行了相關的靜態分析和疲勞壽命評估。在此基礎上對原設計方案作進一步改進并做相應靜載試驗。圖1展示了在橋殼最大牽引力和最大垂向力條件下的強度分析，以及剛度和疲勞壽命的計算數據。從圖1中，可以清晰地觀察到橋殼的最大應力已經達到了28565 MPa的水平，其疲勞極限也超過了設計要求。在43100 MPa的條件下，高達雙相鋼DP580的材料顯示出較低的屈服強度，隨著跨度增大，其極限承載力也相應提高。當橋殼的壁厚降至6 mm時，在最大垂直力的影響下，最大的位移可以達到大約226 mm。當軸荷達到最大值時，每米的輪距會有147 mm的變化，這一結果與國家關于剛度的標準完全吻合。同時，隨著軸載增加，車軸對橋梁結構的作用力增大，導致梁體產生較大變形，從而降低了車輛行駛安全性和舒適性。按照《汽車驅動橋臺架實驗評價標準》的要求，橋殼的最短疲勞壽命僅為95萬次循環，這與50萬次循環的最低疲勞壽命相吻合。因此，這項研究決定采用進一步的減薄設計方案。

22 5 mm壁厚的橋殼性能

對雙相鋼DP580的橋殼厚度降低到5 mm進行了詳細的靜態分析和疲勞壽命的評估。在此基礎上，通過改變不同的載荷大小、加載方向等參數對橋殼進行有限元計算分析并將計算結果繪制成曲線圖。圖2展示了在最大牽引力和最大垂向力的影響下，橋殼的強度、剛度以及疲勞壽命的詳細分析。在這兩個載荷工況中，由于材料的不均勻性以及結構尺寸等因素造成的影響，導致橋殼出現不同程度上的破壞現象，從而使得其使用壽命降低甚至失效。

從圖2中，可以觀察到橋殼的最大應力高達30058 MPa，而雙相鋼DP580的屈服強度為431 MPa甚至更低；隨著載荷增加，橋殼的撓度逐漸增大，而其彎曲應變則不斷降低，最終導致橋殼發生屈曲破壞。當橋殼的壁厚降至5 mm時，在最大垂直力的影響下，最大的位移可以接近235 mm。由于該型車軸采用高強度鋼板焊接而成，因此其壁厚比普通車輪小很多。計算結果顯示，當達到滿載軸荷的狀態時，輪距每米的變形為153 mm，這并不滿足國家的剛度要求。對于5 mm的壁厚橋殼，其最短的疲勞使用壽命僅為474萬周期，這一數值甚至低于預期的50萬的最短疲勞壽命。

通過有限元仿真分析和試驗驗證發現，對于本文研究對象，輕量化設計后仍然有較大應力集中現象出現。根據這些觀察數據，可以推斷，在過度減重或結構優化過于劇烈的場合下，部件的疲勞表現可能并不完全滿足相關標準，這進一步驗證了進行結構優化的合理性。

3 汽車橋殼零件的結構優化

形狀優化涉及的算法種類繁多，在進行模型形狀優化的過程中，通常會將模型分為設計區和排除區兩大部分[4]。本文提出了一種基于拓撲結構分析并結合遺傳算法實現多目標空間形狀優化的方法。該設計區域的目標是通過優化運動網格節點的計算模型來確定最優的空間布局，同時確保在不影響總體組裝尺寸和生產工藝需求的前提下，剔除區域得以保留[3]。

本文主要針對某款汽車前懸架橋殼體結構形狀進行拓撲分析、建模以及有限元模擬仿真等工作。對于這項研究中的橋殼部分，需要排除以下未被優化的區域，即板簧座、車輪的支撐面、主減速殼的接觸盤面以及半軸套管與橋殼內壁面的過盈配合。其中板簧片是主要受力部件，因此首先對橋殼整體結構做簡化處理并提取出相應特征點坐標，然后利用有限元方法建立空間梁單元力學分析模型。在剔除了這些區域之后，橋殼的剩余部分便被確定為設計區域。在對橋殼的外觀進行優化后，將其幾何形狀轉化為STL小平面體，并將此STL模型文件導入到三維建模軟件中進行逆向建模。圖3展示了經過優化的橋殼的逆向設計狀況。

4 橋殼輕量化前后結構性能的比較

通過精細的輕量化設計，由新型材料制成的橋殼的重量減輕了大約1939%。盡管達到了減輕重量的預期效果，但橋殼的使用性能仍需滿足特定標準，因此，對輕量化前后的橋殼性能進行比較是必要的。

41 橋殼強度性能的比較

汽車橋殼所經受的最大應力是在最大牽引力的條件下產生的，因此，只需要在最大牽引力條件下比較橋殼在輕量化前后的最大應力值。從圖4所展示的圖像中，可以觀察到經過優化的最大應力與優化前相比有所增加，從24755 MPa上升到了37896 MPa。橋殼的核心部分仍然是承受最大應力的地方。經過分析可知，在最大牽動力工況下橋殼中存在明顯的塑性區和應變集中現象。因此，在最大牽引力條件下，部件的最大等效應力仍然低于橋殼材料的屈服強度431 MPa，這滿足了在最大牽引力條件下對部件強度的需求。

42 橋殼剛度性能的比較

在對橋殼進行輕量化處理后，其結構的剛度性能必須達到橋殼臺架試驗的國家標準規定。為了驗證橋殼輕量化前后剛度特性是否滿足要求，對不同載荷工況下進行測試分析。汽車橋殼所承受的最大應變值是在最大垂向力作用下產生的，因此，只需對比在最大垂向力作用下，橋殼在輕量化前后的最大應變值即可。本文以某車型橋殼為例進行有限元分析計算，得出橋殼的應力云圖以及最大撓度曲線。從圖5可以發現，橋殼的最大變形量達到了229 mm。因此橋殼輕量化是可行的。雖然經過輕量化處理的橋殼在最大位移量上有所提升，但它依然滿足了國家標準中規定的剛度要求。

43 橋殼疲勞壽命的比較

模型實現輕量化目標后，橋殼疲勞使用壽命問題成為重點驗證對象。輕量化后橋殼模型疲勞壽命云圖和輕量化前橋殼模型計算結果如圖6所示。經圖6比較分析可知：橋殼最小疲勞壽命由優化前160萬次降低至52萬次，仍滿足最小50萬次設計標準。

綜合上述分析，考慮到雙相鋼DP580橋殼在進行了有效的結構優化后，仍然能夠滿足所有的性能指標，優化前后的參數對比如表1所示。

5 結語

本文的研究焦點集中在探討橋殼的輕量化問題上，采用有限元軟件建立了不同減薄方案的三維實體模型。具體如下：

a.對橋殼的整體厚度進行了減少，并對減少厚度前后的橋殼性能進行了對比分析。在此基礎上，采用有限元軟件建立了不同的減薄后橋殼三維實體模型并進行模態分析，對比計算結果與實驗數據驗證結果。經過計算分析，壁厚為5 mm的橋殼模型未能滿足設計規范，而壁厚為6 mm的橋殼模型在各個方面都滿足了設計標準，但其優化的可能性相對較小。

b.進一步選擇形狀優化方法對結構進行優化，將最大應力限制為強度限制，最大位移量限制為剛度限制，并通過多次迭代計算將橋殼的重量從1880 kg降低到1516 kg。

c.對原橋殼和減薄后橋殼做有限元建模并仿真分析。通過對優化后的橋殼模型進行深入的強度、剛度和模態分析，證實了輕量化處理后的橋殼依然滿足預定標準，并展示了出色的性能表現。通過比較優化前后的橋殼疲勞壽命，盡管優化模型的分析顯示壽命有所下降，但依然達到了預定的設計標準。

參考文獻：

[1]熊鋒，周智超，蔣昭杰，等基于多學科性能分析的驅動橋殼多目標優化[J]汽車零部件，2021（6）：1-8

[2]黎仕增，吳慧，羅婷劼，等汽車橋殼彎曲靜強度分析與優化設計[J]模具工業，2018，44（1）：12-14

[3]程思汽車驅動橋殼開裂失效分析及改進措施研究[J]汽車測試報告，2023（1）：89-91

作者簡介：

郭偉偉，男，1987年生，講師，研究方向為車輛工程。