基于DOE技術(shù)的某牽引車橫梁優(yōu)化分析

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展,牽引車也向著高速重載方向發(fā)展,由于車輛工作的多工況,車輛結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,因此經(jīng)常在使用過程中發(fā)生車架結(jié)構(gòu)早期斷裂破壞。這種現(xiàn)象已經(jīng)成為困擾汽車設(shè)計(jì)部門的難題,并造成了明顯的經(jīng)濟(jì)損失。
目前在車架強(qiáng)度研究方面普遍采用的方法為試驗(yàn)方法和計(jì)算機(jī)仿真方法。試驗(yàn)方法是一種直接而客觀的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法,結(jié)果最有說服力,但是試驗(yàn)周期較長,費(fèi)用昂貴且重復(fù)性差,而且也不可能采集到足夠多的數(shù)據(jù),特別是用于產(chǎn)品改進(jìn)所需的詳細(xì)數(shù)據(jù)資料;計(jì)算機(jī)仿真方法具有費(fèi)用低廉、周期較短、可重復(fù)性、結(jié)果信息全面等優(yōu)點(diǎn)。通過仿真分析,可以在短期內(nèi),可以完成多次改進(jìn)分析,并以此作為產(chǎn)品改進(jìn)的依據(jù)。從模擬仿真和試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品安全進(jìn)行驗(yàn)證,能確保分析結(jié)果的可信度和結(jié)構(gòu)的可靠性。
本文利用有限元軟件HyperMesh建立某牽引車車架有限元模型,利用Altair OptiStruct 進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算模擬,并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比,對(duì)車架橫梁處存在問題進(jìn)行DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高橫梁的強(qiáng)度。

本文中某牽引車車架有限元模型,網(wǎng)格單元平均尺寸=10mm,焊接熔核直徑=6mm,焊點(diǎn)由面到面連接方式生成,板簧使用Spring單元和RBE2模擬,安裝在車架左右兩側(cè)的油箱和電瓶箱以及駕駛室和發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)車架的有限元強(qiáng)度和剛度分析影響很小;但是其本身的質(zhì)量很大,對(duì)車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度影響很大,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),選擇用質(zhì)量點(diǎn)單元mass來模擬簡化油箱和電瓶箱的結(jié)構(gòu),這樣可以減少建模時(shí)間,提高工作效率,車架有限元模型如圖1所示,車架的材料數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 車架有限元模型

表1 牽引車車架有限元模型材料參數(shù)屬性

在進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí),我們分別選擇對(duì)橫梁影響比較大的轉(zhuǎn)向靜態(tài)受力工況、扭轉(zhuǎn)靜態(tài)受力工況這兩個(gè)典型工況為研究對(duì)象。
2.1 轉(zhuǎn)向靜態(tài)受力工況
車架轉(zhuǎn)向受力載荷施加圖如圖2所示,應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖2 車架轉(zhuǎn)向受力工況載荷圖

在應(yīng)力云圖3中我們可以看出,應(yīng)力比較大的位置1處為車架橫梁,也是車架真實(shí)斷裂位置(車架真實(shí)斷裂圖如圖4所示),此處的應(yīng)力屬于應(yīng)力分布的高應(yīng)力區(qū)域,根據(jù)斷裂圖片對(duì)比,該工況與真實(shí)情況一致。此處結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。位置2、3處應(yīng)力值比較大,此處結(jié)構(gòu)超過屈服極限,應(yīng)當(dāng)加以關(guān)注,進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)修改減少局部的應(yīng)力集中。

圖3 車架轉(zhuǎn)向受力工況應(yīng)力分布云圖

圖4 車架橫梁實(shí)際破壞圖

2.2 扭轉(zhuǎn)靜態(tài)受力工況

車架轉(zhuǎn)向受力載荷施加圖如圖5所示,應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 車架扭轉(zhuǎn)受力工況載荷圖

從應(yīng)力分布云圖6中我們發(fā)現(xiàn),位置1處為橫梁最大應(yīng)力值,大于材料的屈服極限,也是真實(shí)的破壞位置,應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化改善。位置2處為橫梁應(yīng)力值大于材料的屈服極限,應(yīng)高度重視,極有可能產(chǎn)生疲勞破壞。位置3,4處應(yīng)力值比較高,但是沒有超過材料屈服極限,所以不會(huì)對(duì)該零件造成強(qiáng)度破壞。

圖6 車架扭轉(zhuǎn)受力工況應(yīng)力分布云圖

DOE-Design of experiment(試驗(yàn)設(shè)計(jì))主要應(yīng)用在試驗(yàn)的合理安排和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理上,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本知識(shí),討論如何合理地安排試驗(yàn)、取得數(shù)據(jù),然后進(jìn)行綜合科學(xué)分析,從而盡快獲得最優(yōu)組合方案。
針對(duì)本車架橫梁處強(qiáng)度較差的特點(diǎn),本文運(yùn)用OptiStruct軟件對(duì)其進(jìn)行了DOE優(yōu)化設(shè)計(jì),希望通過改變橫梁及其加強(qiáng)件的厚度值,來增強(qiáng)部件的強(qiáng)度,從而達(dá)到提高整個(gè)車架的承載能力的目的,我們?cè)跈M梁與車架縱梁連接處添加了兩塊加強(qiáng)板,添加加強(qiáng)板前后狀態(tài)如圖7、圖8所示,加強(qiáng)板與橫梁體鉚接。

圖7 橫梁原始狀態(tài)

圖8 橫梁添加加強(qiáng)板狀態(tài)

3.1 DOE數(shù)據(jù)分析

DOE設(shè)計(jì)中,因素水平數(shù)的選擇十分關(guān)鍵,因?yàn)槿绻蛩厮竭x取過多,將會(huì)使試驗(yàn)次數(shù)急劇增加,既不經(jīng)濟(jì),又費(fèi)時(shí)間,如果選取過少,又有可能造成無法選到主要因素的后果。我們選擇對(duì)橫梁影響比較大的典型工況扭轉(zhuǎn)工況為研究對(duì)象,分別選用橫梁厚度與加強(qiáng)板厚度作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的2個(gè)因素,進(jìn)行交叉試驗(yàn),試驗(yàn)次數(shù)為31次,車架的安全系數(shù)有較大的差異,如表2所示。
我們也可以從圖9、圖10中可以更加直觀的看出橫梁厚度、加強(qiáng)板厚度和安全系數(shù)之間的關(guān)系。

表2 扭轉(zhuǎn)工況下的DOE分析數(shù)據(jù)

圖9 扭轉(zhuǎn)工況下DOE響應(yīng)面圖

圖10 扭轉(zhuǎn)工況下DOE等高線圖

通過DOE分析,我們可以更加全面地得到不同橫梁厚度和加強(qiáng)板厚度之間組合橫梁總成的車架安全系數(shù)。綜合考慮實(shí)際工藝、模具及成本等方面的因素,原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)為表2中的第1組組合,在實(shí)際生產(chǎn)中選擇表2中第16組組合,以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

3.2 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后模態(tài)對(duì)比

我們將橫梁原始結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)與改進(jìn)后橫梁的自由模態(tài)的第一階頻率進(jìn)行對(duì)比,原始結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)自由模態(tài)的第一階頻率分別如圖11、圖12。

圖11 原始結(jié)構(gòu)第一階頻率

圖12 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的第一階頻率

由圖11、圖12可以看出自由模態(tài)幅頻特性:
原始結(jié)構(gòu):最大幅值:38.53;第一階頻率:80.7Hz;
改進(jìn)后結(jié)構(gòu):最大幅值:28.89;第一階頻率:87.06Hz;
最大幅值降低:38.53-28.89=9.64;
基頻提高:87.06-80.7=6.36(Hz)。
3.3 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比
本文仍然選擇對(duì)橫梁影響比較大的轉(zhuǎn)向受力工況和扭轉(zhuǎn)受力工況為研究對(duì)象。
3.3.1 轉(zhuǎn)向靜態(tài)受力工況
橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后在轉(zhuǎn)向靜態(tài)受力工況時(shí)的應(yīng)力云圖分別如圖13、圖14所示。
由圖13、圖14可以看出最大應(yīng)力幅值(安全系數(shù)):

圖13 原始結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖14 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

改善前狀態(tài):585MPa(安全系數(shù)0.61)
改善后狀態(tài):350MPa(安全系數(shù)1.02)
應(yīng)力降低:585-350=235(MPa)
安全系數(shù)提高:(1.02-0.61)/1.02×100%=40.2%

3.3.2 扭轉(zhuǎn)受力工況

橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后在扭轉(zhuǎn)態(tài)受力工況時(shí)的應(yīng)力云圖分別如圖15、圖16所示。

圖15 原始結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖16 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

由圖15、圖16可以看出最大應(yīng)力幅值(安全系數(shù)):
改善前狀態(tài):549MPa(安全系數(shù)0.65);
改善后狀態(tài):342MPa(安全系數(shù)1.04); 
應(yīng)力降低:549-342=207(MPa);
安全系數(shù)提高:(1.04-0.65)/1.04×100%=37.5%。

本文通過CAE軟件HyperMesh建立了某牽引車的車架模型,利用Altair OptiStruct對(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)度計(jì)算,得到了車架模態(tài)、應(yīng)力等數(shù)值。本文采用DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)車架橫梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)果表明優(yōu)化方案相比初始設(shè)計(jì)方案明顯降低了車車架橫梁的應(yīng)力,增強(qiáng)了車架強(qiáng)度,提高了車輛的承載能力,基于DOE的車架優(yōu)化分析具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性,對(duì)于車架結(jié)構(gòu)變更設(shè)計(jì)具有巨大的指導(dǎo)意義。