導(dǎo)向臂支架強(qiáng)度及疲勞的分析與優(yōu)化

2017-02-16 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:為解決某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架在道路試驗(yàn)中失效的問(wèn)題,對(duì)該導(dǎo)向臂支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。文章利用HyperWorks軟件OptiStruct模塊和疲勞壽命分析軟件分別對(duì)該導(dǎo)向臂支架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞壽命分析,根據(jù)分析結(jié)果,在HyperWorks軟件的OptiStruct模塊下對(duì)導(dǎo)向臂支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的導(dǎo)向臂支架強(qiáng)度和疲勞壽命都得到提高,質(zhì)量較原結(jié)構(gòu)減輕13%。該方法可廣泛應(yīng)用于類似車輛部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)工程。

1引言

復(fù)合空氣懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、導(dǎo)向臂、導(dǎo)向臂支架、高度控制閥、減震器、緩沖限位塊等機(jī)械元件和電氣元件,以及儲(chǔ)氣筒和空氣壓縮機(jī)等輔助系統(tǒng)組成[1]。某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架在道路試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生斷裂破壞的現(xiàn)象進(jìn)行了研究,經(jīng)過(guò)斷口檢測(cè)發(fā)現(xiàn),支架破壞主要由承受極低周疲勞載荷或一次性沖擊載荷引起。文章利用有限元方方法,對(duì)導(dǎo)向臂支架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞壽命分析并進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到提高產(chǎn)品性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的,并為類似重型車零部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論計(jì)算的依據(jù)。

2導(dǎo)向臂支架靜強(qiáng)度分析

2.1有限元模型

文中采用HyperMesh對(duì)某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)不規(guī)則,這里采用四面體單元,網(wǎng)格全局尺寸選擇5mm,最終有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)16256,實(shí)體單元數(shù)為62034,導(dǎo)向臂支架有限元模型如圖1所示。

2.2約束邊界條件

模型中添加剛性單元Rbe2來(lái)定義位移約束,添加剛性單元Rbe3來(lái)定義載荷作用位置。該導(dǎo)向臂支架模型中共添加10處用于固定約束的Rbe2,分別位于支架上端與車架連接處;1個(gè)用于載荷施加的Rbe3單元,位于支架下端導(dǎo)向臂連接處。

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圖1導(dǎo)向臂支架有限元模型

2.3載荷邊界條件

空氣懸架導(dǎo)向臂支架在車輛轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)和加速3種極限工況下,所處工況比較惡劣,所以文章重點(diǎn)關(guān)注這3種工況。對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析或者試驗(yàn)測(cè)試,可以計(jì)算或者測(cè)試出導(dǎo)向臂支架處的作用力和作用力矩,表1為3種工況下,作用在某重型貨車空氣懸架導(dǎo)向臂支架上的載荷,表1中的工況及載荷大小來(lái)源于整車廠對(duì)該型重卡空氣懸架導(dǎo)向臂支架的試驗(yàn)測(cè)試。

表1導(dǎo)向臂支架工況及載荷

編號(hào)	載荷工況	FX(N)	FY(N)	FZ(N)	MZ(N·m)
1	轉(zhuǎn)彎	0	24139	34484	15087
2	制動(dòng)	24139	0	34484	0
3	加速	-24139	0	34484	0

2.4靜強(qiáng)度分析
導(dǎo)向臂支架的材料為球墨鑄鐵(QT450-10),其性能參數(shù)如表2所示。

表2導(dǎo)向臂支架材料屬性

材料	密度/(t/m3)	彈性模量/GPa	屈服強(qiáng)度/MPa	泊松比
QT450	7.30	147	310	0.30

針對(duì)導(dǎo)向臂支架的3種載荷工況,利用HyperWorks軟件的OptiStruct模塊分別對(duì)其進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析。經(jīng)過(guò)分析可知,轉(zhuǎn)彎工況下的靜態(tài)位移和應(yīng)力最大,空氣懸架導(dǎo)向臂支架最大應(yīng)力為345.7MPa,位于導(dǎo)向臂支架與車架連接孔下方節(jié)點(diǎn)67771位置,如圖2圓圈內(nèi)所示,這與道路試驗(yàn)破壞位置相同。導(dǎo)向臂支架最大位移為1.87mm,位于導(dǎo)向臂支架最下端節(jié)點(diǎn)57位置。各工況的最大變形和應(yīng)力如表3所示。

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圖2導(dǎo)向臂支架轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

表3導(dǎo)向臂支架初始結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析結(jié)果

工況	最大應(yīng)力(MPa)	節(jié)點(diǎn)ID	最大位移(mm)	節(jié)點(diǎn)ID
轉(zhuǎn)彎	345.7	67771	1.870	57
制動(dòng)	78.1	20148	0.378	58
加速	79.6	67770	0.378	47720

由圖2和表3可知,導(dǎo)向臂支架在極限轉(zhuǎn)彎工況時(shí)候最大應(yīng)力超過(guò)材料屈服極限310MPa,所以該導(dǎo)向臂支架破壞形式屬于極低周疲勞破壞,下面將進(jìn)一步進(jìn)行疲勞壽命分析。

2.5疲勞壽命分析

以O(shè)ptiStruct計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果為輸入,結(jié)合導(dǎo)向臂支架的材料屬性、疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)、材料統(tǒng)計(jì)規(guī)律、零件表面粗糙度、熱處理等數(shù)據(jù),采用FEMFAT疲勞計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算,存活率設(shè)定為99.9%,得到導(dǎo)向臂支架在設(shè)定工況下的疲勞壽命安全系數(shù)云圖,如圖3所示。
云圖中紅色區(qū)域表示疲勞壽命比較低,藍(lán)色區(qū)域表示疲勞壽命較高,由圖3可見,導(dǎo)向臂支架最小疲勞安全系數(shù)為0.5,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)向臂支架的疲勞安全系數(shù)通常要求在1.32以上,所以此導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)不能滿足應(yīng)用需求。疲勞壽命計(jì)算結(jié)果中最小疲勞安全系數(shù)的位置為實(shí)際試驗(yàn)破壞的位置,進(jìn)一步確定有限元計(jì)算的可靠性,為下一步的優(yōu)化分析及計(jì)算驗(yàn)證提供依據(jù)。
根據(jù)靜強(qiáng)度及疲勞壽命分析,以及道路試驗(yàn)破壞結(jié)果可知,該導(dǎo)向臂支架不能滿足設(shè)計(jì)需求,有必要對(duì)該零件的結(jié)構(gòu)做出調(diào)整,在滿足功能和裝配要求的前提下,重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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圖3導(dǎo)向臂支架疲勞安全系數(shù)云圖

3導(dǎo)向臂支架拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)約束、載荷及優(yōu)化目標(biāo)而尋求結(jié)構(gòu)材料最佳分配的優(yōu)化方法,可采用殼單元或者實(shí)體單元來(lái)定義設(shè)計(jì)空間,并用Homogenization(均質(zhì)化)和Density(密度法)來(lái)定義材料流動(dòng)規(guī)律[2]。一般應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始概念階段,這方面目前國(guó)內(nèi)外汽車業(yè)已經(jīng)有了較多的研究成果。而對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的研究相對(duì)較少[3-4],因?yàn)楝F(xiàn)有結(jié)構(gòu)的造型已經(jīng)形成,要在此基礎(chǔ)上不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,還要實(shí)現(xiàn)重量的下降,在產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)中具有十分重要的工程意義。
在HyperMesh中把離散后的有限元模型劃分成設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域[5-7],定義設(shè)計(jì)變量,設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件,通過(guò)HyperWorks軟件的OptiStruct模塊對(duì)拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,在HyperView中進(jìn)行后處理,最后利用OptiStruct模塊對(duì)重新設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型做性能分析。

3.1設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間

采用變密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)該導(dǎo)向臂支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。單元相對(duì)密度的上下限分別為0.01和1。進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí),必須先確定拓?fù)鋵?duì)象的設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間。設(shè)計(jì)空間為需要拓?fù)鋬?yōu)化的區(qū)域,也就是設(shè)計(jì)變量,而非設(shè)計(jì)空間則是在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中結(jié)構(gòu)保持不變的區(qū)域。一般螺栓連接部位為非設(shè)計(jì)空間,而設(shè)計(jì)空間的確定以原結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),根據(jù)零部件與周圍相連部件間的靜態(tài)裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系等條件,在保證零件之間不發(fā)生干涉的情況下盡量給出簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)空間。基于以上原則,而且保證在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中有很大的拓?fù)淇臻g,復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架的拓?fù)鋬?yōu)化空間如圖4所示。

3.2導(dǎo)向臂支架的拓?fù)鋬?yōu)化

該導(dǎo)向臂支架拓?fù)鋬?yōu)化主要綜合考慮3種載荷工況下結(jié)構(gòu)全局應(yīng)力約束、某些關(guān)鍵點(diǎn)的位移約束和體積比約束等。模型全局應(yīng)力約束上限值為280MPa,設(shè)定導(dǎo)向臂支架的體積比上限為0.5,即最多保留拓?fù)淠Ｐ涂傮w積的50%,另外保證優(yōu)化后模型第一階頻率不低于原結(jié)構(gòu),設(shè)定載荷集中點(diǎn)的位移約束為最大位移1.5mm;另外,考慮設(shè)計(jì)零件的可制造性,使用脫模方向約束創(chuàng)建拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量,允許模具沿給定方向滑動(dòng)。

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圖4導(dǎo)向臂支架拓?fù)鋬?yōu)化空間

3.3導(dǎo)向臂支架的優(yōu)化結(jié)果

利用HyperWorks中的OptiStruct模塊進(jìn)行某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架的拓?fù)鋬?yōu)化,共經(jīng)過(guò)59次優(yōu)化迭代后結(jié)果收斂,圖5為導(dǎo)向臂支架拓?fù)鋬?yōu)化優(yōu)化空間的材料密度分布云圖。

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圖5導(dǎo)向臂支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖5中藍(lán)色區(qū)域?yàn)榭沙蟛糠植牧?材料密度值接近0,紅色區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)需保留區(qū)域,密度值接近于1。其他顏色區(qū)域?yàn)橹虚g區(qū)域,這些區(qū)域可去除部分材料。
把拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果通過(guò)OptiStruct提供的OSSmooth工具進(jìn)行提取,該工具可將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果以iges格式直接輸出,輸出后的幾何模型如圖6所示。
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,并考慮工藝和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在三維設(shè)計(jì)軟件中對(duì)原模型進(jìn)行修改,得到的優(yōu)化模型如圖7所示,新的導(dǎo)向臂支架的質(zhì)量為18.29kg,較原結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少2.72kg,減輕質(zhì)量約13%。

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圖6導(dǎo)向臂支架經(jīng)OSSmooth提取的幾何模型圖7導(dǎo)向臂支架的優(yōu)化模型

4導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后性能對(duì)比

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu),利用有限元軟件HyperWorks的OptiStruct模塊對(duì)導(dǎo)向臂支架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析,利用疲勞壽命分析軟件對(duì)其進(jìn)行疲勞分析,并與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后各工況下最大應(yīng)力對(duì)比結(jié)果見表4,轉(zhuǎn)彎工況下導(dǎo)向臂支架應(yīng)力云圖如圖8所示,導(dǎo)向臂支架在設(shè)定工況下的疲勞安全系數(shù)云圖如圖9所示。

表4導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后各工況下性能對(duì)比

工況	原結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(MPa)	新結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(MPa)	變化量(MPa)	百分比(%)
轉(zhuǎn)彎	345.7	255.1	-90.6	-26
制動(dòng)	78.1	139.6	61.5	78
加速	79.6	133.9	54.3	67

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圖8優(yōu)化后導(dǎo)向臂支架轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖圖9優(yōu)化后導(dǎo)向臂支架疲勞安全系數(shù)云圖

由表4可以看出,優(yōu)化后的導(dǎo)向臂支架在轉(zhuǎn)彎工況下最大應(yīng)力為255.1MPa,比原來(lái)的結(jié)構(gòu)降低了26%,強(qiáng)度得到極大的提高;而在加速和制動(dòng)工況下,應(yīng)力值有所增大,但都遠(yuǎn)低于材料的屈服極限,在可接受范圍內(nèi)。由圖8的新結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖可知,新結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻,結(jié)構(gòu)更加趨于安全;由圖9可以看出,導(dǎo)向臂支架最小安全系數(shù)為1.519,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)向臂支架的疲勞安全系數(shù)滿足要求。
計(jì)算結(jié)果表明,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的導(dǎo)向臂支架,給定工況下最大應(yīng)力有所降低,應(yīng)力分布更加均勻。通過(guò)對(duì)導(dǎo)向臂支架優(yōu)化前后的性能比較,證明了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法在不減少結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度和性能的基礎(chǔ)上,可以有效減輕結(jié)構(gòu)重量,達(dá)到了降低制造成本的目的。
優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了零部件試制并在安徽定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行整車耐久性試驗(yàn),沒有出現(xiàn)試驗(yàn)故障,證明了上述優(yōu)化方案的可靠性。

5結(jié)論

以某重型貨車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架為分析對(duì)象,運(yùn)用HyperWorks中的OptiStruct模塊對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析,基于靜強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果利用疲勞壽命分析軟件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)向臂支架靜強(qiáng)度和疲勞壽命都不滿足應(yīng)用要求;利用HyperWorks平臺(tái)的OptiStruct模塊,將基于變密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用到該導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,對(duì)多工況下的導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu),再結(jié)合制造工藝及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)導(dǎo)向臂支架進(jìn)行重新設(shè)計(jì),最后新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力和疲勞壽命的計(jì)算,并和優(yōu)化前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果表明,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的導(dǎo)向臂支架,質(zhì)量減輕了約13%,轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力降低26%,另外兩個(gè)工況應(yīng)力雖有所增加,但不影響整體性能,而且疲勞壽命安全系數(shù)達(dá)到1.519,滿足工程要求,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的導(dǎo)向臂支架安全性能得到提升,重量減輕。

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