基于变密度法的汽车排气管吊耳支架设计.pdf

重型汽车HEAVY TRUCK18汽车是人们出行的重要交通工具，汽车是人们出行的重要交通工具，目前人们对汽车的要求越来越高，燃油车正面临电动车激烈竞争，必须优化燃油车的设计，降低制造成本，同时也提升汽车的燃油效率。所以，需要进行燃油车的零件结构优化，特别进行机械结构的优化。排气系统和汽车的动力总成相连，使用吊耳支架连接到车身，在汽车行驶中，应力将会传递到排气管产生激励，排气管会将振动传递给吊耳支架，并传递给车身。若排气系统、吊耳支架设计存在问题，将会导致发动机功率产生比较大的损失，也会带来巨大的噪声，影响汽车的舒适度。排气系统设计时需要避开共振，提高排气系统的固有振动频率，从而避开第二振动源，必须进行优化设计，确定最合适的加强筋位置，提升零件的固有频率和强度。1 拓扑优化结构拓扑优化会将结构的柔顺度、应变能力等作为优化的目标，通过设计目标函数，结合体积、质量、尺寸等条件作为约束，得到非线性等式或者相关函数。在设计中，各种几何参数会不断变化，通过优化可以得到最优数值。拓扑优化在本质上是对离散变量进行 0、1 组合优化的问题，会将结构划分为有限个单元，在算法迭代的过程中，会逐渐将结构性微弱的单元删去，并保留拥有较强结构性的单元，多次迭代后留拥有较强结构性的单元，多次迭代后保留的单元都具有极强的结构性，结构整体上也更加合理。可以建立以下数学模型：其中 xi是设计变量，取值为 0 和 1，取值为 0 则删除该单元，取值为 1 则保留该单元；K 是结构总刚度矩阵，U 为结构位移向量，F 是结构力向量，V 是结构优化之前的最初体积，V*是结构优化之后的体积。2 变密度法由于在拓扑模型中，结构的设计变量很多，如果拓扑优化按照离散形式优化，将会由于元素过多导致组合爆炸，严重超过计算机算力，影响优化速度。针对这种问题，在优化中会将原本离散的变量转变为连续变量，0,1 转变为(0,1)，即变量松弛化，以下是经过松弛化的模型：在拓扑优化的过程中，由于 x 的取在拓扑优化的过程中，由于 x 的取值连续，所以拓扑优化的过程中加入中间密度，但是中间密度单元材料在自然界中并不存在，所以需要在拓扑优化中避免中间单元材料产生。变密度法通过改变结构单元的相对密度，根据设定好的弹性模量等数据进行优化，该方法程序比较简单，利用变密度这个伪密度，能够克服设计变化多，计算繁琐的问题。变密度法包括两种，一种为固体各向通行的材料惩罚模型（SIMP），以及材料属性有理近似模型（RAMP）。变密度法会加入惩罚因子，惩罚因子会从初始密度向 0 和 1 靠近，在结构优化的过程中就不会出现密度单元，不会因为中间密度单元的存在导致零件无法制造。2.1 SIMP 模型在该模型中，材料的弹性模量和材料的密度之间为指数函数关系：其中，Ee是插值后单元材料弹性模量，E0是原材料弹性模量，Ee是空洞部分材料弹性模量，P 是惩罚因子。为了保证最后数值求解的稳定性，可以设置 Emin=E0/1000。如果 Emin趋近于 0，则：2.2 RAMP 模型RAMP 模型中，e和材料之间有基于变密度法的基于变密度法的汽车排气管吊耳支架汽车排气管吊耳支架设计设计文文/林煜硕（梧州职业学院）林煜硕（梧州职业学院）【摘 要摘 要】排气管吊耳支架的优化设计，能确保吊耳支架的稳定性、使用寿命，满足车辆行驶要求。本文采用变密度法】排气管吊耳支架的优化设计，能确保吊耳支架的稳定性、使用寿命，满足车辆行驶要求。本文采用变密度法对吊耳支架进行设计，使用 Optistruct 对某车型的排气管吊耳支架进行优化设计，对得到的优化设计方案，进行了强度对吊耳支架进行设计，使用 Optistruct 对某车型的排气管吊耳支架进行优化设计，对得到的优化设计方案，进行了强度分析和台架试验，在不改变质量的情况下，使吊耳支架的固有频率提升 8.5%，应力减少 25.6%。证明使用变密度法能分析和台架试验，在不改变质量的情况下，使吊耳支架的固有频率提升 8.5%，应力减少 25.6%。证明使用变密度法能够进行钣金类零件的优化，并且有效控制生产成本。够进行钣金类零件的优化，并且有效控制生产成本。【关键词关键词】变密度法；汽车排气管；吊耳支架变密度法；汽车排气管；吊耳支架 QICHESHEJI汽车设计HEAVY TRUCK重型汽车19另一种函数关系：上式中，q 是惩罚因子，并且在Emin极小时，可以将上式进一步简化：在 RAMP 模型中，惩罚因子 q 和SIMP 模型中的 p 发挥着相同的作用，随着 q 增大，惩罚函数会迫使中间单元密度向 0 或者 1 靠近，结构优化时就能够不断向中间密度值为 0 的空洞结构和中间密度为 1 的实体材料分布。实际应用中，q 的取值一般为 5-25。3 排气管吊耳支架优化设计3.1 初始设计区域和有限元模型确定汽车排气管吊耳支架的结构如图1，其结构可以分为支座和排气管两部分，排气管有固定的弯曲形状，同时安装孔的大小和位置也不能改变，在优化设计中，应从底部弓形结构入手。图 1 支架整体模型图 2 支架底座有限元模型根据吊耳支架的集合形状，选择四边形单元划分网格建立有限元模型。模型的单元数量 1702 个，节点数量 1791个，材料密度为 7.810-6kg/m3，泊松比为 0.3，杨氏模量为 206830MPa。模型如图 2 所示，浅色区域为非设计空间，深色区域为设计空间。根据模态的固有频率对结构进行拓扑优化，其中最大优化目标是提高结构的一阶固有频率。优化过程中，结构的重量不能改变，对原体积 30%的空间进行设计。设计中，建模结束后进行结构分析，采用 Optistruct 优化流程，查看结构是否收敛，如果不收敛，则进行林密度分析和逼近分析，并根据需求更换变量，然后重复上述结构分析步骤，直到收敛后完成优化。3.2 优化数学模型优化有三要素，包括设计变量、目标函数、约束条件，优化设计的数学模型为：优化有三要素，包括设计变量、目标函数、约束条件，优化设计的数学模型为：L 是变量的下限，U 是变量的上限，g(X)是不等式的约束函数。优化过程中，目标函数 f(X)和约束函数 g(X)从有限元分析中获得结构响应，设计变量X 是一个矢量，会根据优化模型选择。本设计的拓扑优化中，设计变量是单元密度，并选择 Optistruct 模块进行结构优化设计。3.3 拓扑优化和后续处理完成上述优化工作之后，需要进行进一步的优化计算，总过进行了 26 次地带优化，完成了拓扑优化工作，优化后密度趋近于 1.0，确定了加筋位置。得到的拓扑形状如图 3 所示。通过拓扑优化图，能够在不影响吊耳支架刚度和连续性的情况下，对对应位置进行加筋，能够提升支架的稳定性，提升材料利用率，达到轻量化设计的目的。根据优化结果，需要在图 3 所示位置添加加强筋，而且零件的整体厚度不需要改变。经过优化后，能够减小受迫强度，提升支架的刚度，进一步提升了材料的利用率，可以避免支架在使用中出现变形或者拉裂。图 3 优化后的拓扑形状3.4 拓扑优化后的加筋设计确定加强筋设计位置后，还需要进一步的设计，确定加强筋的分布和形状。结合设计和形态需求，加强筋包括三角形、长方形、圆形、凸起形、凹下形，需要根据加强筋的位置、布局、走向、组合排列方式确定。进一步的优化结果，可以使用有限元优化获得。设计加强筋时，通过提升加强筋的高度 H 能够提升零件的刚度，但是如果高度过大会导致零件开裂；吊耳支架弯曲成型的过程当中，曲率较小的面或者夹角的两个面之间容易出现回弹，可以在垂直弯曲轴线方向增加长方形筋或者三角形筋解决问题；加强筋不能出现十字交叉，防止刚度降低；加强筋的两边需要保证平滑过渡，如果加强筋和零件结构的翻边或者凸台相交，要加大圆角和拔模的角度，防止出现应力集中的问题。图 4 改进后的形状结合等效边界条件和假定刚性理论，使用 ANASY 在工作环境下进行有限元分析，以及使用变密度法优化，结合冲压条件、材料特征、加强筋的细节特征，得到图 4 的最终成型方案。采用三角加强筋结构，可以对回弹发挥一重型汽车HEAVY TRUCK20定的固化作用，能够减小回弹量，并且提升了零件的刚度。3.5 新支架结构性能分析3.5.1 固有频率对比改进后的支架强度和模态，修改前原结构的 1 阶、2 阶、3 阶固有 频 率 分 别 为 385.5Hz、468.2Hz、936.9Hz，修改后的 3 阶固有频率为421.5Hz、493.3Hz、1014.3Hz，因此修改后的支架在重量不变的情况下，固有频率明显增加，具有更高的稳定性。3.5.2 结构应力支架结构经过拓扑优化，在频率上有了明显的提升，需要进一步进行CAE 分析验证，确定优化效果，并与原有支架结构强度进行对比，新支架的应力云图如图 5 所示。在边界条件为固定底座 2 个孔的情况下对歪曲部分施加Z 方向的载荷，经过模拟，新支架结构的最大 Von Mises 应力解算结构最大应力为 236.7MPa，原结构的最大应力为 318.4MPa，减少了 81.7MPa，降低百分比为 25.6%，降低效果明显，结构强度得到了明显的提升。通过比较固有频、应力，证明优化之后可以在不增加重量的前提下，获得更好的结构强度和性能，拓扑优化获得了比较好的效果。图 5 新支架应力云图4 结束语使用拓扑优化能够优化零部件原本的结构，让吊耳支架具备更高的性能和强度，并且没有增加结构的质量，能够满足材料利用率的要求。通过优化，有效提升了结构 1 阶固有频率 8.5%，也降低应力 25.6%，可以更好地满足性能方面的需求。通过研究，证明使用变密度法可以快速完成对钣金类结构的拓扑优化，快速确定加强筋的位置，并且能够降低样件的生产数量，达到节约研发成本的目的，对汽车零部件的设计有很大的帮助。参考文献：1 李娜.基于变密度法和功能度量法的可靠性拓扑优化设计 D.大连理工大学,2022.2 崔华钊,康淑秀,马昊赟等.基于变密度法的重型商用车车架拓扑优化设计J.重型汽车,2022(02):16-18.3 贾峰,毛虎平,程必良.纯电动汽车电池包箱体结构优化设计 J.中北大学学报(自然科学版),2021,42(06):502-509.4 康晋,王铁强.基于高维模型与变密度法的钢-铝混合车架设计 J.机械设计与研究,2021,37(04):120-124+139.5 舒定真.基于变密度法的宏细观多尺度并行拓扑优化设计方法研究 D.西安理工大学,2021.6 司敬庭.汽车门锁的轻量化设计研究 D.江南大学,2021.7 张国锋.基于变密度法的结构拓扑优化敏度过滤及后处理方法研究 D.四川大学,2021.8 司 敬 庭,闫 俊 霞.汽 车 门 锁的 棘 轮 棘 爪 轻 量 化 设 计 J.轻 工 机械,2021,39(02):88-92+98.9 华逢志,王东方,缪小冬等.拓扑优化在铝合金钳体优化中的应用 J.机械,2021,48(01):14-21.（上接第 15 页）见图 5，计算时采用的下防护防护梁（图中紫色件，材料DL590，厚度 3mm）处于连通状态。实际分析结果是，优化后铸件承载力能达到 95KN,分析结果见图 6，满足80KN 的要求，且加载时防护梁位移也满足法规要求。3 试验验证3.1 整车可靠性试验验证优化后大铸件搭载载货车，在整车5000Km 凹凸不平坏路试验中无问题。3.2 车架弯扭疲劳台架试验试制一台该载货车车架，用上优化后大铸件。试验中，在垂直方向加载120.6KN 的力，以频率 0.5Hz 进行前轴扭转角度 4的扭转台架试验，试验进行到 30 万次时，大铸件无问题，继续追加破坏性试验至 60 万次，依然无问题，满足车架疲劳寿命评价指标要求。4 结论通过对此车架前端大铸件整体厚度减小，腹面增加减重槽，在悬架安装接口增加减重孔，在车身悬置安装接口增加减重凹槽，在转向机支座背面增加减重孔，保证连接受力地方增加加强筋等优化措施，理论计算上通过了各工况的仿真分析，并且通过了实际整车可靠性试验和车架弯扭疲劳台架试验。优化后铸件不仅降重比例大，达 27%，并且提升了制造工艺，减少了在铸造过程中易产生的鼓包、凹陷和收缩时的翘曲变形，提升产品整体铸造工艺性。铸件壁厚均匀，过渡自然，在制造过程中冷却速度一致，减少了铸造过程中的浇注系统，并且有效防止缩孔、热应力、裂纹等缺陷，提高了产品铸造质量，同时更利于铸造过程中取模。对同类型结构的铸件（因车架外宽、断面尺寸、驾驶室坐标、前悬板簧宽度引起的不同结构）的轻量化有指导意义，实现了同类型结构铸件的统一轻量化，为商用车降重降本助力。参考文献：1 王 孟.载 货 车 车 架 轻 量 化 设计方法研究与软件开发 C.山东理工大学.2011.2 桂良进,周长路,范子杰.某重型载货车车架结构轻量化设计 J.汽车工程.2003,第 004 期.3 张 志 远,陈 涛.载 货 车 车 架轻 量 化 设 计 及 分 析 C.Altair 2012 HyperWorks 技术大会.20124 何丽君.基于有限元法的重型载货车车架轻量化研究 C.合肥工业大学.2010.5 巢媛.重型货车车架结构的拓扑优化设计 C.重庆大学.2007.