62油气弹簧支架优化设计高旭宏文档格式.docx
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2.1网格划分
使用UG对油气弹簧支架进行实体建模,而后导入Hypermesh中进行前处理。
根据油气弹簧支架的结构特点,将其各部件分为4组管理,建立相应的壳单元分析模型,具体情况见图1,网格特性见表1。
表1油气弹簧支架网格参数
分组
4组
壳体网格
四边形壳单元
连接形式
焊接单元
单元尺寸
5.0mm
结点数
16460
单元数
16510
图1油气弹簧支架有限元模型
2.2材料属性
托座使用的材料为高强度合金钢,主要参数如下:
弹性模量:
200Gpa;
屈服极限:
不小于600Mpa;
材料密度:
7.883e-6kg/mm3
泊松比:
0.3
2.3工况条件
由于油气弹簧支架的使用工况和载荷条件比较复杂,所以只选择最常用的运输工况进行分析和计算。
车辆行驶过程中,油气弹簧支架主要承受油气弹簧作用力的冲击,根据油气弹簧支架的结构特点,忽略其自身重力载荷的影响,将油气弹簧的作用力沿轴孔上半周弧面分布,具体关系可用下式表达:
其中:
——油气弹簧的作用载荷;
——载荷分布函数;
——轴孔半径;
——轴孔圆弧面包角的一半,角度范围
[-90°
,+90°
];
——托座宽度。
在此工况条件下,根据计算可知载荷分布函数
=0.3022MPa/mm2,具体的约束和受力关系见图2。
图2油气弹簧支架的约束和载荷
3初步计算结果
根据工况条件,借助OptiStruct计算,得到油气弹簧支架的应力、位移和模态计算结果如下图3~5所示,具体统计结果见表2。
图3应力结果图4位移结果图5模态结果
表2油气弹簧支架计算结果统计
工况
应力
位移
模态
Max(MPa)
位置
Max(mm)
一阶
运输工况
160
内侧圆弧中间
0.385
销轴孔斜上部
661
小结
应力较大区域主要集中在内侧圆弧过渡处周围,位移较大区域主要分布在销轴孔周围,其他位置应力和位移均较小,进行优化设计的空间较大。
4优化设计
以有限元理论为基础的优化设计是一种非常高效的设计方法,广泛应用在航天、航空、机械、汽车、船舶等诸多领域,而各种优化方法在重型越野车研发中的主要应用情况如下图6所示。
图6越野车优化应用关系
4.1优化方案
根据油气弹簧支架应力和位移的计算结果,综合考虑总体空间布置的要求、工艺的加工特点、使用环境防腐防锈的特点、整体外形美观等方面的相关要求并结合油气弹簧实际的使用经验,确定如下优化方案:
1.在保证使用要求的条件下,油气弹簧支架适合进行拓扑、形状和尺寸的综合优化设计;
2.拓扑优化要结合工艺的反馈意见,根据实际的加工特点进行;
3.形状优化必须要保证油气弹簧足够的跳动空间;
4.尺寸优化主要是确定板材的合理厚度。
4.2优化流程
根据初步确定的优化方案,油气弹簧支架的具体优化流程如下图7所示。
图7油气弹簧支架优化流程
4.3优化过程
根据油气弹簧支架的优化方案和优化流程,将依次对其进行拓扑优化、形状优化和尺寸优化。
4.3.1拓扑优化
拓扑优化具体过程如下:
1、通过topology建立全局拓扑优化的控制区域;
2、在patterngrouping下设置纵向对称控制约束,在draw下设置split作为拓扑拉伸方向;
3、在opticontrol下设置最小尺寸约束为8mm;
4、设置优化参数,将整体应力作为约束条件(控制应力(220Mpa),质量最小作为优化目标,选择运输
工况进行优化求解,拓扑优化结果如下图8~10所示;
图8内中外封板拓扑结果图9中间夹板的拓扑结果图10上盖板的拓扑结果
对拓扑优化结果进行分析,综合考虑各种约束条件要求,相关内容如下表3所示,确定的拓扑优化
结构如下图11所示。
表3拓扑优化结果分析
优化部位
综合分析
关键因素
分析结果
内中外封板
上部、中部和下部均有优化空间
工艺成本
焊接要求
重点对中部优化,去除多余材料
中间夹板
中部、下部均有优化空间
防腐防锈
重点对下部优化,增加排水孔
上盖板
中部有优化空间
美观要求
暂时不进行拓扑优化
轴套
周边有优化空间
安装要求
加载要求
拓扑优化后,整体质量减少9%
图图11拓扑优化结果
4.3.2形状优化
形状优化具体过程如下:
1、通过domains建立25个壳单元的形状控制区域,具体如下图12~13所示;
图12正侧主要控制区域图13后侧主要控制区域
2、调整handles以满足形状优化控制的需要;
3、设置优化参数,将整体应力作为约束条件(控制应力(220Mpa),质量最小作为优化目标,选择运输工况进行优化求解;
4、形状优化结果如下图14所示,综合考虑各种条件约束要求,结果分析的相关内容如下表4所示。
表4形状优化结果分析
主要部位
影响因素
形状优化分析结果
内侧圆弧过渡处
油气弹簧跳动空间要求
适当增加圆弧过渡处的圆角半径,并将局部向法线方向作微调移动
下部结构
适当减小结构尺寸,最下端宽度取15mm
减重孔
应力约束
适当调整上部两处的圆角半径
轴套下端
使用要求
适当减少局部结构尺寸
工艺要求
微调局部的结构尺寸
形状优化后,整体应力分布更加合理,质量又减少了2%。
图14形状优化结果
4.3.3尺寸优化
尺寸优化具体过程如下:
1、形状优化后的壳单元控制区域即作为尺寸优化的输入;
2、将4组零件厚度尺寸通过size分别做连续变量控制,厚度范围在4mm~12mm;
3、设置优化参数,将整体应力作为约束条件(控制应力(220Mpa),质量最小为优化目标,选择运输工况进行优化求解;
4、对尺寸优化结果进行分析,优化后的结果见图15,尺寸优化前后的对比结果见表5。
图15尺寸优化结果
表5各零件厚度尺寸对比(单位mm)
状态部件
内侧、中间封板
外侧、中间封板
优化前
10.0
8.0
优化后
7.4~8.0
4.6~6.8
5.1~6.8
实际最佳使用值
6.0
内、中、外封板焊接在一起,通过尺寸优化,可以将中间封板去掉,尺寸优化后的油气弹簧支架相比最初的结构减重已达到27%。
5优化结果检验
5.1优化后复算
油气弹簧支架完成拓扑优化、形状优化和尺寸优化后,进一步考虑到模态的影响后对运输工况进行了重新计算,应力、位移和模态计算结果如下图16~18所示;
优化前后的对比结果见表6。
图16优化后应力结果图17优化后位移结果图18优化后模态结果
表6油气弹簧支架优化结果对比
参数状态
对比(%)
应力
最大应力160Mpa,在内侧圆弧中间处
最大应力202Mpa,在内侧圆弧中间
+26.5
位移
最大位移0.39mm,在支架前端外沿
最大位移0.79mm,在支架前端外沿
+102
模态
一阶模态661
一阶模态531
-19.7
油气弹簧支架优化后应力、位移和模态都有较大幅度增减,但仍完全满足实际使用要求,表明原始结构确实存在较大的优化空间,优化后的各项性能更加符合实际使用条件,减少整体质量的同时,去除了部分设计冗余。
5.2试验和使用检验
按照优化设计结果生产的油气弹簧支架已通过实际运输工况进行了测试,相关情况如下图19所示,部分测试数据结果如下表7所示。
表7部分测试结果
状态
结果分析
计算值
外侧面局部某处180MPa
测试值
基本相同位置实测129Mpa
实际使用状态下,由于油气弹簧的串通作用,各处油气弹簧支架承受作用力略有不同,但均小于计算中的最大载荷,所以测试结果普遍偏小。
图19实际使用状态
6结论与展望
经过优化分析,在满足使用工况要求的条件下,改进了油气弹簧支架的设计结构,得到如下结论:
1、油气弹簧支架优化的空间受到总体结构布置、材料特性、工艺特点和使用要求等多方面限制,可优化的空间有限,这也是目前工作中大多数部件优化设计面临的难题,所以选择合理的区域进行优化分析是优化设计的首要问题;
2、优化后的油气弹簧支架内侧圆弧过渡处的空间增大,特别有利于油气弹簧的运动跳动;
在最常用的运输使用工况条件下,应力、位移和模态等性能指标完全满足使用要求,而整体质量减轻了27%,表明优化后的结构和性能更加趋于合理;
3、优化后的油气弹簧支架工艺性能良好,加工和焊接过程简单,符合实际生产加工要求;
4、试验测试点根据优化分析后应力和位移的分布规律布置,部分试验测试结果与计算结果间的误差符合实际使用情况,从而验证了优化分析的正确性;
5、通过实际使用中各种复杂工况的检验,反馈改进信息,在生产成本增加不大的条件下,进行更深入的优化设计,进一步提高其使用性能。
通过对油气弹簧支架的优化分析,初步掌握了重型越野车零部件结构优化设计的方法,经过试验和实际使用的检验,不断地总结经验,进一步提高重型越野车的设计水平。
7参考文献
[1]JoanJohnson.DesignFineTuningUsingSizeandShapeOptimization.2005
[2]VSASFiniteElementModelingGuidelinesForStructuralAnalysis.1998
[3]李人宪.有限元法基础.国防工业出版社.2002
[4]石琴.张代胜.谷叶水.张雷.大客车车身骨架结构强度分析及其改进设计.汽车工程.2007
[5]杜文学.俞德津.基于有限元理论的重型半挂车架模态分析.专用汽车.2007
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