（机械制造及其自动化专业论文）基于铸造生产的某中型货车驾驶室翻转支座的轻量化设计.pdf

基于铸造生产的某中型货车驾驶室翻转支座的轻量化设计 摘要 在能源问题日益突出的背景下，节能减排刻不容缓，而在运输领域，随着 市场对运输装载量的需求不断增加，需要货车降低自重，提高运输量。与此同 时，矿产资源价值不断上升，汽车制造企业成本控制又面临巨大压力，为控制 制造成本和适应车辆发展的要求，如何实现车辆零部件的轻量化是每个相关企 业不得不面对的问题。本文根据合作企业提出的汽车零部件轻量化降重需求， 实现驾驶室前翻转机构的参数化设计，并基于铸造生产的实际情况重点对翻转 结构的支座进行轻量化降重设计。 本文首先介绍了课题研究背景，结合项目实际，提出了轻量化过程中的问 题，阐述了本文研究的目的、意义和研究内容，并对轻量化和参数化技术的发 展进行了概述。接着，论文先对c a d 参数化技术、参数化设计方法以及 s o l i d w o r k s 二次开发模块的嵌入进行了介绍，以此建立了驾驶室翻转机构的参 数化设计系统，并介绍了系统的功能、界面、设计流程以及模型参数化的实现。 其次，按一般的轻量化设计流程，以驾驶室翻转机构参数化系统中的两种 型号的翻转支座为研究对象，利用有限元分析软件c o s m o s w o r k s 对两种型号 支座的现有模型进行了有限元静应力分析，接着以分析结果为参考，对两种型 号的支座进行了降重优化设计，并对涉及到的结构优化方法及数学模型进行了 简单介绍。 接着，本文提出了实践过程中支座降重优化设计存在的问题，从金属型铸 造工艺角度分析了支座降重优化结构的铸造性能缺陷，并基于铸造生产对其进 行了修正设计。结果表明，经过修正设计后的支座零件，虽然降重幅度有所减 小，但结构性能和铸造性能都较之前有所改善和提高。 本文结合汽车零部件生产企业实际需求，实现了驾驶室翻转机构设计的参 数化，基于铸造生产进行的轻量化设计的支座模型满足了实际设计和生产的需 要，对企业其他汽车零部件轻量化设计具有一定的实际参考作用。 关键词：驾驶室翻转机构，前翻转支座，参数化设计，轻量化设计，金属型铸 造 l i g h t w e i g h td e s i g nf o rc a b o v e r t u r n e d m e d i u m - d u t yt r u c k b a s e do nc a s t i n g s u p p o r to f a p r o d u c t i o n a bs t r a c t i nt h eb a c k g r o u n do fe n e r g yp r o b l e mb e i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，i t si n c r u n c ht i m ef o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n ，a n di nt h et r a n s p o r tf i e l d ，a s t h em a r k e td e m a n df o rc a r r y i n gb e i n go nt h er i s e ，v e h i c l e sn e e dt ob ed e c r e a s e d s e l f - w e i g h ts oa st oi m p r o v et r a n s p o r tc a p a c i t y a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ep r i c eo f m i n e r a lr e s o u r c e sr i s i n gi n c e s s a n t l y ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa r e u n d e ri n t e n s ep r e s s u r ef r o mr i s i n gc o s t t oc o n t r o lm a n u f a c t u r i n gc o s ta n da d a p tt o t h et r e n do fv e h i c l ed e v e l o p m e n t ，h o wt of u l f i l lt h el i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l ep a r t s a n dc o m p o n e n t si sap r o b l e mt h a te a c hr e l a t e de n t e r p r i s eh a st of a c e t h i sp a p e r ， a c c o r d i n g t ot h e w e i g h t r e d u c t i o n r e q u i r e m e n t s o fa u t o m o b i l ep a r t sa n d c o m p o n e n t sf r o mac o o p e r a t i v ee n t e r p r i s e ，i m p l e m e n t st h ep a r a m e t r i cd e s i g no f t h e c a bf o r m e ro v e r t u r n e dm e c h a n i s m ，a n dm a k e sal i g h t w e i g h td e s i g no ft h ec a b o v e r t u r n e ds u p p o r t ，b a s i n go nt h ea c t u a lc o n d i t i o no fc a s t i n gp r o d u c t i o n t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do ft h ep r o je c tr e s e a r c h ，c o m b i n i n g w i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h ep r o je c t ，s u m m a r i z e ds o m ep r o b l e m si nt h ep r o c e s s o fl i g h t w e i g h t ，e l a b o r a t e dt h ep u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so ft h er e s e a r c h ， a n dt h e ng a v ea no v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n t si nl i g h t w e i g h tt e c h n o l o g ya n di n p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y t h e n ，t h e c a dp a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ，t h em e t h o d so f p a r a m e t r i cd e s i g na n dt h em o d u l e se m b e d d i n go fs o l i d w o r k sr e d e v e l o p m e n tw e r e i n t r o d u c e d ，a n db a s i n go nt e c h n o l o g i e sa b o v et h i sp a p e rb u i l tap a r a m e t r i cd e s i g n s v s t e mo ft h ec a bo v e r t u r n e dm e c h a n i s m ，w i t ht h es y s t e mf u n c t i o n s ，i n t e r f a c e ， d e s i g nf l o wa n dp a r a m e t e r i z a t i o no ft h em o d e l sb e i n g d e s c r i b e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lf l o wp a t ho ft h el i g h t w e i g h td e s i g n ，w i t h t a k i n gt h et w oc a bo v e r t u r n e ds u p p o r t sw h i c hw e r ei nt h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m o fc a bo v e ：r t u r n e dm e c h a n i s ma st h er e s e a r c ho b je c t s ，t h i sp a p e r ，u s i n gt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ec o s m o s w o r k s ，h a das t a t i c s t r e s sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f t h et w ot y p e so fu s i n gs u p p o r tm o d e l s a n dt h e n ，l i g h t w e i g h td e s i g n so f t h et w ot y p e so fs u p p o r t sw e r em a d eb a s i n go nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，w i t ht h e s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sb e i n gi n t r o d u c e d t h e n ，t h i sp a p e rl i s t e ds o m ep r o b l e m so ft h es u p p o r t sl i g h t w e i g h td e s i g ni nt h e p r a c t i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，a n a l y z e dt h ec a s t i n gd e f e c t s o ft h es t r u c t u r e sb y l i g h t w e i g h td e s i g ni na s p e c to fp e r m a n e n tm o l dc a s t i n gp r o c e s s ，a n dt h e nh a da f u r t h e rm o d i f i c a t i o nb a s i n go nt h ea c t u a l c a s t i n gt e c h n i q u e t h er e s u i t si n d i c a t e t h a t a l t h o u g ht h e f u r t h e rm o d i f i e ds t r u c t u r e sh a v el e s s w e i g h tr e d u c t i o n t h e s t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ea n dc a s t i n gp r o c e s sp r o p e r t i e so ft h es u p p o r t sh a v eb e e n i m p r o v e d t h i sp a p e r ，c o m b i n i n gt h ea c t u a ln e e d so ft h ea u t o m o b i l ep a r t sm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e ，m a d ed e s i g n so ft h ec a bf o r m e ro v e r t u r n e dm e c h a n i s mp a r a m e t e r i z a t i o n a n dt h es u p p o r tm o d e l s ，w i t hl i g h t w e i g h td e s i g nb a s i n go nt h ec a s t i n gp r o d u c t i o n ， m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g na n dp r o d u c t i o n ，w h i c hh a v ec e r t a i np r a c t i c a l r e f e r e n c es i g n i f i c a n c et oo t h e ra u t o m o b i l ep a r t s l i g h t w e i g h td e s i g n k e y w o r d s ：c a bo v e r t u r n e dm e c h a n i s m ；f o r m e ro v e r t u r n e ds u p p o r t ；p a r a m e t r i c d e s i g n ；l i g h t w e i g h td e s i g n ；p e r m a n e n tm o l dc a s t i n g 致谢 时光飞逝，岁月如梭，转眼间求学生涯已近尾声，借此论文完成的机会向 几年来伴随和帮助我进步的人表示最衷心的感谢。 首先要特别感谢我的导师董玉德老师。本文的研究工作是在董老师的悉心 指导下完成的，从论文的选题到各个阶段都得到了董老师的精心指导和大力支 持，在此，向董老师表示由衷的感激和深深的敬意! 董老师严谨的治学作风、 认真负责的工作态度、科学的研究方法以及努力进取的精神深深影响着我们每 一个人，董老师不仅指导我们学习和工作，还经常提醒我们注意做事的方法和 品格的修养，这些必将令我们受用终生。 在研究生学习和项目开展期间，实验室的师兄师姐给予了很多指导和帮助， 在此向他们表示衷心的感谢! 尤其是李年丰、段国奇等师兄在相关领域中的成 果积累，给此项目和论文提供了许多有益的参考，在此对他们表示真诚的敬意。 还要感谢鲁军、邢美等人在论文写作上的帮助，同时也要感谢在论文写作期间 沈媛媛老师为我们做的辛勤工作以及给予我们的无私帮助。 此外，要感谢在项目进行过程中给予帮助和指导的曹文刚老师，也要感谢 安凯华夏汽车配件有限公司的领导们在一线生产制造方面对本项目的及时指导 和纠错。 读研期间，要感谢臧俊、万志强、王玲兰、高强、王辉华等人的手足相依， 更要感谢刘岳、庄园、罗祖平等人的朝夕相伴，还要感谢在数字化实验室大家 庭留下故事的每一个人，与他们在不同研究领域的讨论和合作使我获益匪浅， 与他们共同经历的岁月将是人生一段精彩和快乐的回忆。 最后要特别感谢我的家人，你们无私的爱，是我永恒的动力源泉。 i v 作者：刘永君 2 0 1 2 年4 月19 日 插图清单 图2 1 程序驱动法生成圆柱体1 1 图2 2 直接修改零件尺寸示意图1 2 图2 3 系列零件设计表的使用流程1 3 图2 4 尺寸参数驱动法流程图1 4 图2 5s o l i d w o r k s 系统的内外关系图1 5 图3 1 双扭杆驾驶室翻转机构1 7 图3 2 另一种型号的驾驶室翻转机构1 8 图3 3 翻转机构参数化系统主要模块一2 0 图3 4s o l i d w o r k sa d d i na p p w i z a r d 向导2l 图3 5 翻转机构设计系统定制菜单2 1 图3 6s o l i d w o r k s 调用插件工作流程2 2 图3 72 2 0 型翻转机构装配设计界面一2 3 图3 82 2 0 翻转机构零部件详细设计界面2 3 图3 。92 2 0 翻转左支座设计界面一2 4 图3 1 0 零部件的一般装配步骤2 5 图3 1 1 工程图模块界面2 7 图4 12 2 0 驾驶室翻转支座2 8 图4 21 9 0 驾驶室翻转支座2 9 图4 3 有限元分析的一般步骤3 0 图4 42 2 0 左支座简化模型3 1 图4 51 9 0 左支座简化模型3 2 图4 6 支座材料属性3 2 图4 72 2 0 左支座安装示意图一3 3 图4 82 2 0 左支座载荷3 4 图4 91 9 0 左支座载荷3 5 图4 1 02 2 0 支座模型网格设置3 6 图4 。1 12 2 0 左支座网格模型3 7 图4 1 22 2 0 左支座位移分布情况一3 8 图4 1 32 2 0 左支座应力分布情况3 8 图4 1 41 9 0 左支座位移分布3 9 图4 1 51 9 0 左支座应力分布3 9 图5 1 轻量化设计流程图4 2 图5 2 优化设计类型4 3 图5 32 2 0 左支座改进件4 5 图5 42 2 0 支座部分设计变量4 6 图5 52 2 0 支座尺寸优化结果一4 7 图5 62 2 0 轻量化改进结构4 7 图5 72 2 0 支座改进模型位移分布情况一4 8 图5 82 2 0 支座改进模型应力分布情况4 8 图5 91 9 0 支座部分设计变量4 9 图5 1 01 9 0 支座尺寸优化结果5 0 图5 1 l1 9 0 轻量化改进结构5 0 图5 1 21 9 0 支座改进模型位移分布情况一5 1 图5 1 31 9 0 支座改进模型应力分布情况。5 1 图6 1 消失模铸造工艺流程5 4 图6 2 金属型铸造成形方法过程5 5 图6 32 2 0 支座降重优化结构图5 6 图6 4 修正设计后的2 2 0 支座结构5 7 图6 5 修正设计后的1 9 0 支座结构5 7 图6 6 修正后的2 2 0 支座模型位移分布情况5 8 图6 7 修正后的2 2 0 支座模型应力分布情况5 8 图6 8 修正后的1 9 0 支座模型位移分布情况5 9 图6 9 修正后的1 9 0 支座模型应力分布情况5 9 i x 表格清单 表5 12 2 0 支座结构改进前后数据对比4 9 表5 21 9 0 支座结构改进前后数据对比5 2 表6 1 修正后的2 2 0 支座结构前后数据对比6 0 表6 2 修正后的1 9 0 支座结构前后数据对比6 0 x 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 当今世界，能源问题日益突出，随着能源资源的日益紧缺，加之人类生存 面临着严峻的环境污染问题，航空以及车辆等受能源制约较大的领域近些年来 对相关应对技术的研究及应用步伐明显加快。尤其在汽车行业，随着物流的发 展和汽车消费的强劲增长，节能减排在产品设计中成为不可忽略的重要因素。 有研究表明，汽车重量每降低1 0 0 公斤，行驶每百公里可节约燃油约0 6 升。 若汽车整车重量降低1 0 ，燃油效率可提高6 8 【1 1 。由此可见，汽车燃 油能耗率同汽车整车质量密切相关，因此，汽车的轻量化成了汽车行业节能减 排的重要途径之一。 另一方面，随着国内物流业的发展和国家对基础建设的持续投入，对车辆 运输的需求日益增加。但随着自然资源的紧缺，近年来铁矿石等矿产资源价格 大幅上涨，加之众多行业对钢铁材料的需求，致使钢材价格一路飙升，而在汽 车行业，货车所用钢铁材料比例占到6 0 以上，受钢材价格影响较大。同时， 国家对汽车超限、超载的惩治力度加大，加之客户对装载量的要求，如何降低 货车自重，提高运输量成了货车厂家必须考虑的问题。因此，为降低制造成本 和适应车辆发展的要求，车辆的轻量化趋势是每个相关企业不得不面对的问题。 随着经济的不断发展，对货车的需求不断增加，目前我国的中型货车驾驶室大 多采用平头型设计，并且驾驶室能够向前翻转以便对发动机等总成部件进行维 修和保养，对于驾驶室这种大而重的总成的操作，必须要借助于操作机构才能 完成，驾驶室向前的翻转就是通过翻转机构来实现。由于驾驶室翻转机构是货 车必不可少的关键机构，相关制造企业在节能减排的背景下，既要保证产品质 量，又面临制造成本上升的压力，因此，对翻转机构进行轻量化设计，是企业 急需解决的问题。 此外，随着计算机技术的飞速发展，有限元技术以及软件开发技术的发展 在近十几年也日趋活跃。其中，c a e 技术在现代车辆设计方法中越来越多的得 到普及，有限元理论和数值计算方法是c a e 技术的理论基础，有限元技术是其 核心技术。软件方面，c a d 软件的二次开发技术、产品的参数化技术以及快速 设计技术在车辆设计中的应用也逐渐增多。对这些技术的应用和掌握已逐渐成 为企业竞争的重要内容，因此，在进行相关零部件轻量化过程中，逐步应用这 些技术也是相关企业面对发展趋势的必然选择。 1 2 问题探讨、研究目的及意义 基于节能和成本等因素考虑，轻量化已成为当今汽车车体及零部件的一大 发展趋势。而汽车的轻量化最终要分解落实到相关零部件的轻量化，汽车的轻 量化，实质上就是零部件的轻量化2 1 。零部件轻量化通俗的讲，就是在保证零 部件强度等性能达到要求的前提下，尽可能减轻零件自身的重量。因此，为保 证零部件性能和减轻零部件重量，国内外始终在零部件轻量化各种途径的探索 方面进行着不懈的努力。 1 2 1 轻量化设计中的问题探讨 针对零部件轻量化，国内外众多相关机构和研究人员进行了较广泛的研究 和实践，并取得了大量的成果，为后续研究提供了许多借鉴。本课题基于与零 部件制造企业的合作项目，结合众多类似企业在管理、设计和制造中的现状， 对项目工作中以下几个方面的问题进行探讨： 1 ) 目前，众多相关机构和研究人员对汽车轻量化进行了富有成效的研究， 并得到大量应用。由于减轻汽车上较大型部件的重量，可以使车辆重量的绝对 值有较大的下降，降重效果明显，经济效益也提高较多，因此，人们比较重视 汽车上较大型零部件的轻量化研究，对一些像驾驶室翻转机构这样较小的总成 结构的轻量化研究相对较少。然而，汽车轻量化是一个系统工程，对较小总成 部件的轻量化设计，虽然单个零部件可降重的绝对值不是很大，但是可降重比 例较大，而且这些零部件生产厂家众多，厂家生产的数量也较大，如果能对所 有的小型零部件都进行轻量化，不但轻量化累积效果可观，也可普遍惠及众多 零部件生产企业。因此，在重视汽车车架、桥体这些大型部件轻量化的同时， 像驾驶室翻转机构这样较小总成部件的轻量化也不容忽视。 2 ) 目前，对零部件的轻量化、结构优化研究已经较为普遍，c a e 技术已 经成为众多企业在设计中必不可少的工具。然而，对企业来讲，管理在产品设 计、制造和销售中的位置是比较重要的，现代企业管理已经开始成为众多企业 追求的目标。其中，各种软件和技术的系统集成作为现代企业管理的硬件条件， 已经越来越受到重视，因此c a e 技术与软件开发技术的结合也成为轻量化研究 考虑的因素之一。 此外，由于零部件企业设计和生产的产品种类往往较多，分工也不同，设 计和制造的零部件或总成需要制造出来，然后与相关结构实物进行配合，如果 出现问题，往往造成较大损失。因此，除了c a e 技术以外，企业希望能够实现 零部件的快速设计、快速分析和装配，并希望这些技术文件能够与企业的资源 管理软件进行对接，建立个性化的设计系统。基于这个趋势，产品的快速设计、 三维软件的二次开发、参数化以及知识工程的研究在轻量化过程中的作用也不 容忽视。 目前，c a d 技术在制造行业已普遍采用，如今的c a d 软件已经由单纯的 二维制图功能发展到了集成三维建模、装配、工程图绘制以及有限元分析为一 体，给设计人员带来很大方便。不过这些通用软件对企业来讲仍然不能完全满 2 足要求，例如存在针对系列化或专用产品的设计效率不高以及混淆设计等问题。 为了提高像翻转机构这类汽车零部件的设计效率，适应修改和文档管理的要求， 基于三维软件平台的二次开发，实现零部件的参数化设计是满足企业需求的重 要内容。 3 ) 随着c a e 技术的不断完善和普及，采用有限元方法进行结构轻量化的 设计以及线性、非线性的仿真分析己成为汽车零部件产品设计研发的一种趋势。 尤其是结构优化技术，结构优化设计是指在保证结构部件的强度和性能的前提 下，通过优化结构达到降低结构重量和提高性能的目的。目前，结构优化设计 在改善零部件以及整车性能方面发挥着重要作用。结构优化设计作为结构设计 的发展趋势之一，值得学习和研究。然而，在轻量化、结构优化等研究热潮中， 由于相关软件并不能代替工程设计人员长期积累的实际经验，企业对产品的设 计不但考虑结构最优，设计的产品也要满足实际生产制造的需要，因此，我们 在借助相关软件进行产品设计的同时，生产制造环节也是必须考虑的问题。在 与企业合作设计生产驾驶室翻转机构的过程中，对翻转支座的轻量化设计就是 由于缺乏对生产环节的考察，因而许多有限元优化设计方案在生产环节尤其是 毛坯铸造环节遭到了否定，从而浪费了大量的时间和精力。 1 2 2 研究的目的 由于零部件制造成本的上升以及国家对企业产品能耗等问题的重视，也为 在轻量化趋势中占有一席之地，汽车零部件企业需要结合自身条件进行相关产 品的设计和制造，并希望获得实际的经济效益。 在零部件企业中，进行重新设计的过程中会发现，客户需求的产品并不是 完全新的设计，由于众多结构的相似性，部分结构模块通过修改部分特征就可 达到要求。因此许多设计过程是根据客户的需求，对产品进行局部的修改，或 者对以往产品的结构进行变型修改。然而新产品质量如何，是否合理，企业的 设计人员只能通过以往的经验或简单的分析以及现场测试来解决。这样不但会 增加产品设计周期，也提高了设计成本，同时对产品的众多修改图纸文件的管 理也是需要考虑的问题。 基于以上的分析，结合企业的实际情况，以中型货车驾驶室翻转支座为主 要研究对象，通过吸收已有产品的成熟设计以及对实际制造环节的学习，在减 轻零部件重量的基础上，探索一条实现驾驶室翻转机构参数化及快速设计的方 法，以缩短产品的设计周期，在减轻零部件重量降低成本的同时，符合实际生 产要求，并达到快速设计、分析及制造的目的。 1 2 3 研究的意义 近年来，越来越多的企业开始重视利用有限元分析软件对自身产品进行轻 量化改造，从而减轻重量，优化结构，以降低制造成本，提高车辆性能。目前 大多倾向于对如车架等大结构部件开展轻量化研究，以取得较大的降重绝对值。 但随着有限元技术的进步和轻量化观念的深入，企业也开始重视大批生产的中 小型零部件的轻量化，以达到积累效益，本课题以中型货车驾驶室翻转支座为 主要研究对象，进行中小零部件的轻量化设计，以推动企业零部件轻量化进程， 实现可观的经济效益。 此外，通过基于s o l i d w o r k s 三维软件的参数化系统的设计，并将参数化与 c a d c a e 设计结合，设计人员只要输入与零件特征尺寸相对应的参数，即可 获得所需要零件的三维模型与工程图，并进行有限元分析，验证零部件的强度 及刚度是否满足要求。通过零件三维参数化设计及自动建模系统的开发，可以 加快产品的设计效率，缩短设计周期，提高设计质量，从而提高企业的竞争力。 再者，本文吸取项目前期过程中脱离实际制造生产的经验和教训，通过对 支座结构的有限元分析，在满足可靠性和减轻支座重量的同时，结合铸造实际 生产，合理地进行结构改进，对汽车零部件同类设计具有一定的实际参考意义。 1 3 相关技术的发展和应用 1 3 1 轻量化技术 对货车驾驶室翻转机构进行轻量化设计的研究和文献在国外并不多见，但 是对类似零部件轻量化研究以及汽车其他零部件的研究已经很普遍。目前，轻 量化设计没有固定的方法，研究者可以根据研究对象的特点采取不同的方法来 实现轻量化目的。 一般来讲，国内外对汽车轻量化的实现主要有以下两种途径：一是改变材 料，例如轻金属、复合材料等低密度轻质材料，目前国内只有少量的零件可以 采用塑料、铝合金替代，还有部分钢材可以换做强化钢材，以达到减重目的， 但可以普遍使用的替代材料还有待研究；二是从结构出发，对产品进行轻量化 的降重设计，通过改变结构来减轻重量。第一种途径存在成本高，技术不成熟 等困难【3 j ，不过也说明这个方向有巨大的研究潜力，例如在汽车的内外饰件上， 塑料已经被大量使用，实现了汽车饰件的高档化和舒适化。但相对于饰件而言， 承载部件却较少找到普遍使用的替代材料。因此，从结构出发的降重设计仍是 汽车厂家进行轻量化设计的重点。 在汽车轻量化技术方面，国外汽车工业发达国家拥有较多的经验及积累， 而且国家及企业之间合作也较为广泛。在此领域，经常提到的案例就是2 0 世纪 9 0 年代，国际钢铁协会成立的u l s a b ( u l t r a l i g h t s t e e l a u t o b o d y ) 4 j 项目组，它 是一个由世界17 个国家和地区的3 4 个钢铁公司组成名为“2 l 世纪超轻量型汽 车开发企业集团”的庞大实施计划。该项目组主要在保证汽车强度及刚度等性 能的前提下，通过对结构的重新设计和生产制造工艺的革新等综合途径来实现 4 车身轻量化。u l s a b 采用的主要方法包括：( 1 ) 开发和应用高强度板材；( 2 ) 探索 和采用新的生产技术及工艺，例如激光焊接以及液压成型工艺等；( 3 ) 运用有限 元技术对车身进行结构优化，并采用了仿真技术。项目完成后的结果表明，结 构优化后的车身重量比优化前降低了2 5 ，同时车身的扭转刚度以及弯曲刚度 等性能指标值都有了不同程度的提高，而生产成本却比原来降低了1 5 ，这大 大鼓励了后续轻量化项目的研究。 在结构轻量化技术的个体应用方面，提及较多的是，1 9 9 1 年，m a t s u m o t o 等人对摩托车车架进行的优化设计案例，m a t s u m o t o 等人以梁的截面尺寸和梁 的位置值作为设计变量，选择车架的总重量作为优化目标，通过数学优化设计 的方法明显减轻了车架重量，取得了较好的优化效果【5 】。这种优化方法目前已 经成为轻量化设计中普遍使用的方法之一。 同样，在1 9 9 9 年，针对焊接的管状法兰，l e u n g 和k e n tk 使用有限元技 术对其进行了应力分析并对其进行了轻量化设计【6 】，在载荷及约束相同的条件 下，轻量化设计后的模型降重4 0 ，同时法兰的最大应力也有所降低，轻量化 设计大大降低了法兰的生产成本。 除此之外，韩国汉阳大学的j k s h i n ，k h l e e ，g j p a r k 以及s l s o n g 等人对一轿车的前门内板进行优化设计【7 j ，该小组主要采用u l s a b 组织所采取 的轻量化措施，综合了尺寸优化、形状优化以及拓扑优化等优化方法，使前车 门内板的质量减轻了8 7 2 ，这个案例也被广泛认可。另外，通用汽车公司的 r r m a y e r 和密西根大学的n k i k u c h i 等人在结构优化方面的研究也卓有成 效，他们选择碰撞过程中所吸收的能量的最大值作为目标值，在零部件优化设 计中使用拓扑优化方法，其设计出的蜂窝状结构，在减轻结构重量的同时也提 高了零部件的安全性1 8 j 。此外，来自美国航空航天局兰利研究中心的 j s b i e s z c z a n s k i s o b i e s k i 和福特公司车辆安全部门的r y y a n g 以及来自s g i 公 司的s k o d i y a l a m 等人共同进行的研究也同样受人关注，他们在汽车的轻量化 研究中，他们使用了商业专业分析软件，选择零部件尺寸作为设计变量，选择 汽车的n v h 值和变形量作为约束，选择重量为优化目标，在车身各项性能影 响不大的基础上使其重量降低了1 5 k g 9 1 。 国内轻量化研究和应用虽然起步较晚，但近年来通过高校、研究机构以及 企业的努力，轻量化的研究和应用如今已经处于高速发展阶段。除了众多高校 的研究成果以外，在企业方面，尤其是2 0 0 8 年，由中国汽车工程学会、中国第 一汽车集团公司、东风汽车公司等1 2 家单位共同发起的汽车轻量化技术创新战 略联盟在宁波成立，这被国内汽车行业认为具有里程碑式的意义，这将有利于 提升我国汽车行业的自主研发能力和国际竞争力。 1 3 2 参数化技术 参数化是指改动模型的尺寸，或是改动模型的其他相关参数，软件自动实 现模型相关尺寸特征的改变，它是通过建立模型约束与尺寸参数的对应关系来 实现，因此也可叫做尺寸驱动。 参数化设计不但能够提高产品设计效率，而且适应企业信息化管理的发展 趋势，是c a d 系统发展的方向之一。通过尺寸参数的驱动，设计人员可以对 设计对象有准确、直观的认识，并且可以随时修改设计对象的参数。参数化技 术的研究源于2 0 世纪6 0 年代早期，经过几十年的发展成为设计领域重要的一 项革新技术，其中，p t c 公司在1 9 8 5 年推出的p r o e 软件是国外最早推出的参 数化c a d 系统，此后，这项技术便成了设计领域竞争的焦点，随之c a d 参数 化系统商业化竞争日趋激烈，例如c a t i a 软件、s o l i d w o r k s 软件、u gn x 软 件等在设计领域得到广泛应用。 近十几年来，国内研究机构和公司在c a d 系统参数化方面也有所发展， 例如高华计算机公司推出的高华m d s ，能够实现草图自动标注及公差检验，而 且拥有图号管理功能以及识别多图联动功能；而武汉开目信息技术有限责任公 司的开目c a d 系统的数字化设计功能则是采用局部求解的方法来实现。 鉴于汽车零部件生产企业生产零件变种较多，进行系列化设计的时候，重 复劳动在所难免，而且考虑到企业信息化管理的要求，基于s o l i d w o r k s 二次开 发，对汽车相关零件进行参数化设计，通过修改主要特征参数就可以实现新的 零部件的快速生成，从而提高设计效率，缩短设计周期。 1 4 论文课题来源及研究内容 本课题来源于合肥工业大学数字化设计与制造研究中心和安徽安凯华夏汽 车配件制造有限公司共同承担的合作项目一一驾驶室左右支座降重的计算机 辅助设计的深入研究和应用。 安凯华夏汽车配件制造有限公司是国内汽车驾驶室翻转及锁止机构的专业 化生产厂家，前面提到的汽车零部件相关企业的实际问题正是基于与安凯华夏 汽车配件制造有限公司以及类似企业的合作项目的总结，基于以上问题，结合 企业实践情况，在多次调研以及与工程师反复交流讨论的基础上，本文结合有 限元分析技术，基于企业生产制造实际，探索了一条实现驾驶室翻转机构参数 化及快速设计的方法，以缩短产品的设计周期，在减轻零部件重量降低成本的 同时，符合实际生产要求，并达到快速设计、分析及制造的目的。 本文章节的主要内容如下： 第一章主要讨论分析了本文的课题背景、课题来源、研究的目的及意义， 并介绍了国内外的轻量化设计和参数化设计研究情况。 第二章主要介绍了c a d 参数化设计技术和基于s o l i d w o r k s 软件的几种参 6 数化设计方法，以及用v i s u a lc + + 6 0 对s o l i d w o r k s 进行二次开发的开发方式 和几种开发向导，并结合驾驶室翻转机构特点对参数化设计方法、s o l i d w o r k s 二次开发的开发方式和开发向导进行了选择。 第三章主要介绍了两种型号的驾驶室翻转机构的参数化设计系统，介绍了 翻转机构参数化设计系统的功能、界面以及设计流程，并分别对零件建模、装 配体绘制和工程图实现进行了说明。 第四章主要从两种型号的驾驶室翻转支座有限元分析需求出发，对有限元 分析工具进行了选择，并介绍了用分析工具对两种型号支座进行有限元静应力 分析的过程，接着计算和分析了两种支座的静应力计算结果，为下一步翻转支 座的降重设计提供了参考。 第五章介绍了轻量化与结构优化及其之间的联系，根据支座模型的设计选 择合适的优化方法并建立相应数学模型。接着结合支座降重优化措施，利用 c o s m o s w 6 r k s 优化算例功能对两种型号的支座进行了降重优化设计。 第六章主要介绍了金属铸造方法以及驾驶室翻转支座的铸造，以2 2 0 型支 座为例，从金属型铸造工艺方面分析了上一章中支座降重优化结构的铸造性能 和结构缺陷，并基于铸造生产对上一章中降重优化的结构进行了修正设计。 第七章为总结与展望。总结了论文的研究工作及成果，指出论文中存在的 一些不足之处，并对课题的未来研究进行了展望。 1 5 本章小节 本章在查阅大量文献的基础上，对轻量化设计和参数化设计技术的发展情 况进行了概述，结合项目实际，提出本文研究的背景、目的和意义，最后总结 了本文研究的主要内容。 第2 章翻转机构的参数化设计 2 1 引言 随着信息技术的发展和自动化水平的提高，国内许多企业已经开始重视将 产品的设计、分析、制造、数据管理和信息技术融合为一体，并且即使是一些 中小型企业也已经不同程度的实现了流程和技术的集成，生产的自动化水平比 以前有了很大提高。传统的三维产品模型的设计都是首先由设计师绘制二维图， 然后由二维图制造出产品的模型，这样虽然有自身的优点，但设计效率比较低， 尤其在零部件制造分工明显以及产品交货周期逐渐减小的今天，用二维图制造 出的产品一旦出现不能配合等这样的问题，将会带来很大损失。随着信息化水 平的提高及现代管理理念的深入，运用三维c a d 系统进行设计已经逐渐被企 业认可，在提高设计效率方面，三维参数化设计无疑是一种较好的选择。 所谓参数化设计就是将模型中的约束信息用变量表示，接下来，约束信息 就成为可以调整的参数，然后给变量赋以不同的数值，就可以得到形状相似大 小不同的零件模型 1 0 - 1 2 ，这种设计方法具有编程简便、效率高、程序可移植性 强等特点，非常有利于相似和系列化的产品设计。货车驾驶室翻转机构拥有不 同型号，从零部件原型分析开始，经过分析、改进，到铸造生产及验证，基于 每个流程需要不同的对象，而这些对象的形状相似，因此比较适合使用参数化 方法建立一个与企业的设计、分析、制造及数据管理集成的系统。本章主要阐 述了建立翻转机构参数化设计系统所涉及的关键技术以及技术方法的选用。 2 2c a d 的参数化设计 参数化设计技术主要是通过改动模型的尺寸实现对模型的驱动，只需要输 入不同的参数就可以驱动产生不同规格的产品。目前机械领域的三维绘图软件 都是参数化设计的典范，并且已经具备造型、装配、分析与仿真等功能，在概 念设计、实体造型、运动仿真、零件装配、快速设计、优化设计等方面发挥着 重要的作用。 在产品设计初期，例如对零部件结构进行改进时，零部件的主要尺寸以及 一些特征无法具体确定。使用参数化设计系统时，用户可以探索不同的设计方 案，零件可以被反复编辑，通过改变零件中的关系就可以完成对零件的编辑。 在参数化设计系统当中，将参数分为两类：一类是模型的各种尺寸参数，另一 类是几何元素问的各种约束及关联关系，通过参数化重建模型的原理就是通过 修改模型可变的尺寸参数，利用几何元素间的关联约束来联动的修改相关其他 尺寸，从而实现模型的合理重建。 参数化系统的实现，使得用户在设计中可以快速修改模型，模型在参数修 改后快速自动重建，这种便利功能以参数化设计前期所建立的模型为基础，因 此在实现c a d 参数化过程中，模型的创建方式是重要内容之一。目前，参数 化设计中的参数化建模方法主要有两种，一种是变量几何法，另一种是基于结 构生成历程的方法，前者主要用于建立平面模型，后者更适合于建立三维实体 或