優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用

2013-06-24  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

關(guān)鍵字:優(yōu)化 制動器壓力容積 OptiStruct 拓撲優(yōu)化

借助于優(yōu)化方法,設(shè)計人員在概念階段即可對結(jié)構(gòu)根據(jù)需求進行合理化分布,以減少后期大量的改良工作。本文通過某汽車制動器壓力容積的優(yōu)化為例,詳細介紹了如何運用 OptiStrcut軟件進行拓撲優(yōu)化的過程。應(yīng)用表明該方法能準(zhǔn)確的預(yù)測計算壓力容積值并對設(shè)計進行更改優(yōu)化,從而達到降低成本的目的。

1 概述
機械結(jié)構(gòu)分析目前已經(jīng)成為機械設(shè)計中非常重要的一個輔助手段,而作為體現(xiàn)機械工業(yè)水平的汽車行業(yè)中,結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化更是在近年來得到很大的應(yīng)用和提高。
制動系統(tǒng)是汽車的一個重要組成部分,它直接影響汽車的安全性。制動器是制動系統(tǒng)中用以產(chǎn)生阻礙車輛的運動或運動趨勢的力的部件,它是汽車制動時的直接執(zhí)行者,由于制動時所需要的巨大摩擦力,使得制動器的結(jié)構(gòu)強度和剛度成為設(shè)計時很重要的參數(shù)之一。而壓力容積指的是制動時由于制動器受力變形引起的制動液補液量,它實際上體現(xiàn)了整個制動器系統(tǒng)的剛度,對駕駛者制動時的踏板感覺有著直接影響,也是制動器設(shè)計中需要重點考慮的對象之一。
由于壓力容積的重要性,在制動器設(shè)計初期對其進行有限元模擬計算是必不可少的環(huán)節(jié)。影響制動系統(tǒng)壓力容積的因素很多,包括摩擦片的壓縮率,各部件的設(shè)計剛度等等,因而對其進行模擬計算的工作量也相對而言較大。除此之外,如何盡可能的降低部件重量以滿足降低成本和油耗的要求也是在設(shè)計中必須考慮的問題。
隨著計算機軟硬件日新月異的發(fā)展,使得對一些系統(tǒng)級的大規(guī)模計算成為了可能。但往往這些復(fù)雜的模擬會涉及到很多煩瑣的定義,比如接觸,材料屬性,分析步,邊界條件等。大陸集團目前是世界上最大的汽車制動系統(tǒng)供應(yīng)商之一,對制動系統(tǒng)的開發(fā)已建立起全面的能力,能夠?qū)χ苿酉到y(tǒng)的各種部件進行不同類型的分析,如結(jié)構(gòu)計算,模態(tài)分析,熱分析,拓撲優(yōu)化等等。
本文針對某制動器開發(fā)項目詳細介紹了如何應(yīng)用CAE軟件對制動器殼體進行拓撲優(yōu)化的思路和方法。涉及到的軟件包括有HyperWorks(前后處理及優(yōu)化求解),ABAQUS(非線性求解及后處理)。
2 制動器系統(tǒng)壓力容積拓撲優(yōu)化分析過程簡介
2.1 盤式制動器工作原理
制動器的支架通過螺栓固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上,殼體又通過制動器的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)徑向固定,而軸向可沿著導(dǎo)向銷與支架發(fā)生相對滑動?;钊谥苿訅毫Φ淖饔孟峦苿踊钊麄?cè)摩擦片,使之壓靠在制動盤上。同時制動壓力推動制動器殼體沿導(dǎo)向銷移動,使拳側(cè)摩擦片也壓靠在制動盤上,產(chǎn)生制動力。于是,制動盤兩側(cè)被摩擦片夾住,而被制動。制動盤又和車輪輪轂緊固在一起,所以車輪也停止轉(zhuǎn)動。盤式制動器的總成見圖1。

優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用+項目圖片圖片1
圖1 制動鉗總成


2.2 分析目標(biāo)
某制動鉗殼體原為鋁制材料,為降低成本需將殼體材料改為鑄鐵。由于鑄鐵材料楊氏模量較大,因此必須進行拓撲優(yōu)化以避免過大的剛度和材料浪費。優(yōu)化目標(biāo)是在保證與原有殼體類似的壓力容積的同時得到最輕質(zhì)量。
2.3 分析過程
1.計算原鋁質(zhì)殼體的系統(tǒng)壓力容積值
2.對最大設(shè)計模型(根據(jù)公差計算及零件必需功能所得)進行系統(tǒng)壓力容積計算,并提取出接觸壓力結(jié)果作為優(yōu)化時的載荷邊界條件。
3.使用Altair OptiStruct對制動器殼體進行拓撲優(yōu)化。
4.得到優(yōu)化結(jié)果并對其進行壓力容積計算。
5.對優(yōu)化結(jié)果進行CAD建模,并計算重新建模后的CAD模型,如有需要再實施第二輪優(yōu)化。
    由于本文主要介紹的是拓撲優(yōu)化的思路和過程,在此不對壓力容積計算進行詳細描述。下文將具體介紹過程2和過程3。
2.4 有限元建模
2.4.1 網(wǎng)格
由于壓力容積主要是由整個制動器軸向的變形引起的,在模擬計算時可以去掉一些不必要的零件,簡化為由殼體,活塞,摩擦片材料,摩擦片背板和制動盤組成的分析總成,而通常這些零件又是左右對稱的,因此在劃分網(wǎng)格時只需分析一半以減少單元數(shù)量。
將裝配體模型進行幾何簡化,去除一些不必要的細節(jié)特征,如小倒角,小孔等,然后進行網(wǎng)格劃分。所有的網(wǎng)格均采用三維實體單元(六面體及四面體),其中四面體網(wǎng)格選取二階單元以增加分析精度。
進行壓力容積計算的最大設(shè)計模型網(wǎng)格見圖2。

優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用+項目圖片圖片2
圖2 模型網(wǎng)格


在壓力容積計算完成后,將模型中的殼體網(wǎng)格導(dǎo)入HyperWorks進行拓撲優(yōu)化。結(jié)果見圖3。

優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用+項目圖片圖片3
圖3 最大殼體設(shè)計模型


2.4.2 材料屬性
除了摩擦片使用非線性材料模型以外,其他零件的材料為鋁,鑄鐵或鋼等線彈性材料,只需定義適當(dāng)?shù)牟此杀群蜅钍夏A?如需考慮材料塑性,則還需輸入應(yīng)力應(yīng)變曲線。
    鑄鐵的材料參數(shù):
        彈性模量:170GPa
        材料密度:7.2e +3kg/m3
        泊松比:0.28
        長度單位為:mm
    鋁的材料參數(shù):
        彈性模量:70GPa
        材料密度:2.7e +3kg/m3
        泊松比:0.29
        長度單位為:mm
2.4.3 邊界條件及接觸定義
進行壓力容積計算時需在ABAQUS內(nèi)設(shè)置多個接觸對,包括殼體缸部與活塞圓周,活塞與內(nèi)側(cè)背板,背板與摩擦片材料,摩擦片材料和制動盤以及殼體拳側(cè)與外側(cè)背板等。在計算完成后提取出殼體缸部與活塞圓周,以及殼體拳側(cè)與外側(cè)背板這兩個接觸對的接觸壓力。并將其導(dǎo)入到HyperMesh中作為殼體優(yōu)化的載荷,此外還需對殼體加上對稱約束,并且對某些節(jié)點加自由度約束以消除剛體自由運動。
2.4.4 拓撲優(yōu)化參數(shù)定義
    最后必須定義優(yōu)化參數(shù)以得到有效的優(yōu)化結(jié)果。
    1.根據(jù)設(shè)計需要定義合理的設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域以保證零件的功能。
    2.定義正確的拔模形式和方向。
    3.定義優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化約束,在此分析中優(yōu)化目標(biāo)是最小應(yīng)變能,優(yōu)化約束是質(zhì)量百分比。
    4.定義合理最小成員尺寸,一般為10—20。
    5.定義卡片控制優(yōu)化過程和輸出。

3 優(yōu)化結(jié)果
    表1 為優(yōu)化計算結(jié)果。


表1 計算結(jié)果(DV1即為壓力容積值)

優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用+項目圖片圖片4


    圖4為優(yōu)化后形狀結(jié)果,單元密度取0.5。

優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用+項目圖片圖片5
圖4 形狀結(jié)果


    圖5為根據(jù)優(yōu)化形狀結(jié)果重新建立的CAD模型。

優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用+項目圖片圖片6
圖5 CAD模型


    圖6為15倍放大后的軸向變形云圖。

優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用+項目圖片圖片7
圖6 軸向變形云圖


4 分析與結(jié)論
由表1可知,原鋁質(zhì)殼體的壓力容積值為0.96立方厘米,如不進行優(yōu)化直接用同樣形狀的鑄鐵殼體代替,其質(zhì)量為2669克。經(jīng)過優(yōu)化后重新建模的殼體為1520克,減少了約43%,而壓力容積值為0.95立方厘米,與原鋁質(zhì)殼體大致相同。
因此,此優(yōu)化效果明顯,滿足優(yōu)化目標(biāo)。


開放分享:優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才

相關(guān)標(biāo)簽搜索:優(yōu)化方法在汽車制動器設(shè)計中的應(yīng)用 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn) Abaqus培訓(xùn) Autoform培訓(xùn) 有限元培訓(xùn) Solidworks培訓(xùn) UG模具培訓(xùn) PROE培訓(xùn) 運動仿真 

編輯
在線報名:
  • 客服在線請直接聯(lián)系我們的客服,您也可以通過下面的方式進行在線報名,我們會及時給您回復(fù)電話,謝謝!
驗證碼

全國服務(wù)熱線

1358-032-9919

廣州公司:
廣州市環(huán)市中路306號金鷹大廈3800
電話:13580329919
          135-8032-9919
培訓(xùn)QQ咨詢:點擊咨詢 點擊咨詢
項目QQ咨詢:點擊咨詢
email:kf@1cae.com