基于剛度協(xié)調(diào)的總裝吊點支架輕量化設(shè)計

摘 要：針對總裝吊點支架的輕量化問題，提出了基于剛度協(xié)調(diào)的總裝吊點支架輕量化設(shè)計方法。在滿足沖壓成型工藝的前提下，提高總裝吊點支架的材料牌號以提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可操作性，在此基礎(chǔ)上，采用剛度協(xié)調(diào)策略對總裝吊點支架進行優(yōu)化以平衡總裝吊點支架和側(cè)圍外板的剛度。優(yōu)化結(jié)果表明，在滿足強度要求的前提下，總裝吊點支架重量降低了41g，減重率達26.1%，輕量化效果顯著，驗證了所提的基于剛度協(xié)調(diào)的總裝吊點支架輕量化設(shè)計方法的有效性，為汽車零部件的輕量化設(shè)計提供一種可借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：剛度協(xié)調(diào) 輕量化設(shè)計 總裝吊點支架

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，化石燃料日益減少，環(huán)境問題愈發(fā)劇烈，節(jié)能減排成為人們密切關(guān)注的話題。汽車總裝是一個將汽車各零部件組裝起來的工藝過程，是汽車在制造過程中必不可少的環(huán)節(jié)。而總裝吊點支架作為汽車重要的垂向支撐件，在總裝吊點工況下扮演著重要角色。如何在保證可靠性的前提下，盡可能地降低總裝吊點支架重量，從而達到降本增效、節(jié)能減排的目的，成為汽車開發(fā)中的一大難題。

剛度協(xié)調(diào)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個重要概念，其基本思想為：通過合理的剛度分配，使得系統(tǒng)各零部件之間的剛度相互協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)最佳的力學(xué)性能。眾多學(xué)者在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程中運用了剛度協(xié)調(diào)原理。崔勇[1]基于剛度協(xié)調(diào)原理對電機托架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了滿足可靠性電機托架結(jié)構(gòu)。謝素明等[2]對動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究，總結(jié)出了動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)剛度協(xié)調(diào)設(shè)計原則。丁彥闖等[3]通過實際算例驗證了基于剛度協(xié)調(diào)的疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計方法的有效性。白從凱等[4]基于剛度協(xié)調(diào)理念對轉(zhuǎn)向架進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向架的可靠性得到了明顯提升。蔡芳芳等[5]基于剛度協(xié)調(diào)原理對泵車樣機轉(zhuǎn)塔進行了優(yōu)化設(shè)計，有效解決了泵車樣機轉(zhuǎn)塔的疲勞失效問題。Niu等[6]針對焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計問題，基于剛度協(xié)調(diào)思想，提出了一種焊接結(jié)構(gòu)的三級抗疲勞設(shè)計方法，該方法可廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和抗疲勞性能的提高中。

本文針對總裝吊點支架的輕量化問題，從剛度協(xié)調(diào)角度出發(fā)，對總裝吊點支架進行了優(yōu)化，并將優(yōu)化前、后的強度和重量結(jié)果進行對比，驗證了所提方法的有效性。

1 總裝吊點靜強度分析

將車身模型導(dǎo)入ANSA軟件中進行單元離散，并截取部分車身模型用于后續(xù)靜強度分析，通過力的平衡計算得到4個總裝吊點位置的載荷，約束車身截斷面全部自由度，在4個舉升塊下表面施加相應(yīng)Z向載荷，總裝吊點強度分析有限元模型如圖1所示，得到的等效應(yīng)力云圖如圖2所示。由應(yīng)力云圖可知，總裝吊點支架最大等效應(yīng)力為1089.2MPa，大于材料HC340/590屈服強度的382MPa，側(cè)圍外板最大等效應(yīng)力為152MPa，小于材料DC56D屈服強度的157MPa，由此可知總裝吊點支架強度不滿足要求。

2 總裝吊點強度優(yōu)化

由應(yīng)力云圖可知，總裝吊點支架最大應(yīng)力位于耳朵中間偏上位置，這極有可能是由于耳朵過長導(dǎo)致局部剛度較弱，從而引起的嚴重應(yīng)力集中現(xiàn)象。基于此，在保證工藝可實現(xiàn)性的前提下，將耳朵頭部下移9mm，分析結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，總裝吊點支架的最大等效應(yīng)力位置稍有下移，值降為754.1MPa，應(yīng)力降低明顯，側(cè)圍外板的最大等效應(yīng)力位置基本不變，但值卻升至176MPa。在提升總裝吊點支架剛度的情況下，支架自身應(yīng)力水平降低，而與之相連的側(cè)圍外板應(yīng)力水平卻有了一定增高，初步認為總裝吊點強度工況下的總裝吊點支架和側(cè)圍外板存在剛度不協(xié)調(diào)問題。為了驗證該問題，將總裝吊點支架厚度由1mm提升至1.2mm，仿真結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，總裝吊點支架和側(cè)圍外板的最大等效應(yīng)力位置均不變，值分別為711.3MPa和179MPa，在支架厚度提升的前提下，同樣符合前述情況，故可以判定總裝吊點支架和側(cè)圍外板在總裝吊點強度工況下存在剛度不協(xié)調(diào)問題。

由上述可知，總裝吊點支架剛度如果較小，則自身應(yīng)力水平會很高，此時的側(cè)圍外板應(yīng)力處于較低水平；而當總裝吊點支架的剛度過大時，其自身應(yīng)力會顯著下降，但同時會引起側(cè)圍外板應(yīng)力的升高，總裝吊點支架應(yīng)力和側(cè)圍外板應(yīng)力呈負相關(guān)關(guān)系。為了得到滿足強度要求的結(jié)果，需要協(xié)調(diào)總裝吊點支架剛度和側(cè)圍外板剛度，以尋求一個平衡。由于側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)難以更改，故剛度的協(xié)調(diào)主要通過對總裝吊點支架進行優(yōu)化來實現(xiàn)。首先，在滿足材料沖壓成型工藝的前提下，將支架的材料牌號由HC340/590（屈服強度382MPa）提升至HC550/980（屈服強度722MPa），通過提升材料的屈服強度為支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供更多可能性。然后，保持厚度不變，優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，旨在滿足強度要求的同時，達到輕量化的目的，具體優(yōu)化方案見圖5。

優(yōu)化方案主要為：

（1）將頂部下移9mm，以在輕量化的同時，避免耳朵過長導(dǎo)致局部剛度不足，從而導(dǎo)致此處產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中。

（2）將加強筋以及中上部凸臺方向由向外改為向內(nèi)，以改變支架的變形方向，變形方向由向外變?yōu)橄騼?nèi)。

（3）將中下部凸臺移除，并對腹部進行挖孔。潰縮孔形狀類似A型，可同時兼顧強度要求與極大化的輕量化效果。一方面，A型潰縮孔可以降低支架腹部及腿部剛度，從而改變傳力路徑，最終使得支架在總裝吊點工況下沿著其中間位置變形；另一方面，A型潰縮孔可以極大化輕量化效果。而其它形狀的潰縮孔則存在以下兩種情況：（1）雖然也能達到支架沿著中間位置變形的效果，但輕量化效果不佳；（2）輕量化效果很好，但支架自身剛度較弱，導(dǎo)致自身或側(cè)圍外板應(yīng)力不達標。

優(yōu)化方案的仿真結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化前、后總裝吊點支架的強度及重量對比結(jié)果見表1。由表1及圖6可知，優(yōu)化后，從強度角度來看：總裝吊點支架最大等效應(yīng)力位置由耳朵中間偏上位置轉(zhuǎn)移至支架腿部倒角處，值為634.9MPa，小于材料HC550/980的屈服強度722MPa，與此同時，側(cè)圍外板的最大等效應(yīng)力降至139.5MPa，小于材料DC56D的屈服強度157MPa，無論是總裝吊點支架還是側(cè)圍外板均滿足強度要求；從輕量化效果來看：優(yōu)化后，總裝吊點支架重量由157g降為116g，減重41g，減重率達26.1%，輕量化效果顯著。

3 結(jié)論

本文基于剛度協(xié)調(diào)策略，對總裝吊點支架進行了輕量化設(shè)計，結(jié)果表明，在滿足強度要求的前提下，總裝吊點支架重量降低了41g，減重率達26.1%，輕量化效果顯著，驗證了所提出的基于剛度協(xié)調(diào)的總裝吊點支架輕量化設(shè)計方法的有效性，為汽車零部件的輕量化設(shè)計提供一種可借鑒的方法。

參考文獻：

[1]崔勇.高速動車組車體靜強度、模態(tài)及關(guān)鍵部件疲勞壽命研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2019.

[2]謝素明，趙建，王成強.動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)剛度協(xié)調(diào)設(shè)計原則[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2016，37（05）：8-12.

[3]丁彥闖，兆文忠.提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的剛度協(xié)調(diào)策略與應(yīng)用[J].焊接學(xué)報，2007（12）：31-34+114.

[4]白從凱，代魯平，呂超，等.快捷貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)評估[C].中國鐵道學(xué)會車輛委員會快捷貨車轉(zhuǎn)向架技術(shù)交流會論文集，2015：5.

[5]蔡芳芳.基于有限元的泵車轉(zhuǎn)塔故障診斷及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].工程機械與維修，2021（05）：20-21.

[6] Niu C， Xie S， Zhang T. Research on anti-fatigue design method of welded structure oriented to stiffness coordination strategy[J]. International Journal of Structural Integrity， 2021， 13（2）.