（车辆工程专业论文）重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计.pdf

h e a v yt r u c kc a bs u s p e n s i o nc a s t i n go p t i m i z a t i o n w a n gs h a o j u n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 01 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n v e h i c l ee n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh a nx u n s e n i o re n g i n e e rb a iy u n z h i m a y , 2 0 1 1 3洲3帅7吣7， 0吣9iiiim y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 膏酵嘉 日期：力州年乡月，扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：少叫年夕月，同 同期：矽年萝月，t ，同畚 眵 彩辽 肿休 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 摘要 在汽车轻量化的背景下，华菱星凯马整车较其它同型号车重了约8 0 0 k g ，制 约了星凯马销售。驾驶室悬置铸件采用铸钢材料，是把驾驶室与车架连接起来的 重要部件。铸件减重优化作为整车减重的重要部分，显得特别迫切。 本文首先介绍了在现代汽车工业发展背景下，重型卡车轻量化的重要意义及 主要研究途径。然后结合华菱公司生产的星凯马驾驶室过重的现状，提出了对驾 驶室悬置铸件的优化目标。通过驾驶室悬置结构设计及结构优化理论的研究，对 左右上下支架零件进行了受力及静强度分析，提出了相关的优化设计目标及策略， 确定了优化设计的方案，利用基于有限元优化理论的h y p e r w o r k s 软件对上下支 架进行了建模及优化设计，获得最后优化后的结果。通过对驾驶室悬置优化后下 支架的静强度分析和摆锤正撞分析及实车碰撞试验，对优化的结果进行了验证， 证明优化后的悬置铸件满足产品标准及各种工况的要求。 本文结合安徽华菱汽车股份有限公司与湖南大学机械与运载工程学院技术合 作提出的优化方法，在重型卡车轻量化设计及相关铸件优化设计上具有一定的发 展前景和实用价值。 关键词：重卡；驾驶室悬置；铸件优化；h y p e r w o r k s 工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ec o n t e x to fa u t o m o t i v el i g h t w e i g h t ，s t a rk a i m ap r o d u c e db y h u a l i n g c o m p a n yw a sa b o u t8 0 0 k gh e a v i e rt h a no t h e rt r u c ko f t h es a m em o d e l ，t h i sr e s t r i c t e d t h em a r k e to fs t a rk a i m a t h ec a bm o u n t i n gc a s t i n gw a sm a d eb ys t e e l ，i ti st h e i m p o r t a n tu n i tc o n n e c t i n gt h ec a bw i t ht h ef r a m e t h eo p t i m i z a t i o no fl i g h t w e i g h t a b o u tt h ec a s t i n gw a ss ou r g e n ta st h ei m p o r t a n tp a r to ft h el i g h t w e i g h to ft h ew h o l e t r u c k t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h em e a n i n ga n dt h em a j o rs t u d ya p p r o a c h e sa b o u tt h e t r u c kl i g h t w e i g h ti nt h ec o n t e x to ft h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t oi n d u s t r y t h e n c o m b i n e dw i t ht h es t a t u so ft h eo v e r w e i g h to ft h es t a rk a i m a ，w ep r o p o s e dt h eg o a lo f t h eo p t i m i z a t i o no ft h ec a bm o u n t i n gc a s t i n g b ys t u d y i n gt h et h e o r yo ft h ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r eo ft h ec a bm o u n t ，w ea n a l y s i st h es t r e s sa n d t h es t r e n g t h o ft h ec a bm o u n tb r a c k e ti nt h ef r o n ts u s p e n s i o nu p p e ra n dl o w e rp a r t s a n dw e p r o p o s e d t h eo b je c t i v e sa n ds t r a t e g i e so ft h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o n ，a n dw e d e t e r m i n e dt h eo p t i m a ld e s i g ns o l u t i o n u s i n gt h es o f t w a r eo fh y p e r w o r k sb a s e do n t h et h e o r yo ff e m o p t i m i z a t i o n ，w em o d e l e da n dd e s i g n e dt h ec a bm o u n tb r a c k e ti n t h ef r o n ts u s p e n s i o nu p p e ra n dl o w e rp a r t s ，a n dw eg o tt h er e s u l to ft h eo p t i m a ld e s i g n b ya n a l y z i n gt h es t r e s sa n dt h es t r e n g t hb e f o r ea n da f t e rt h eo p t i m i z a t i o na n dd o i n g t h er e a lv e h i c l ec o l l i s i o nt e s t s ，w ev e r i f i e dt h er e s u l ta n dc o n f i r m e dt h et r u t ht h a tt h e c a s t i n ga f t e ro p t i m i z a t i o nw a sf i l l i n gt h ep r o d u c ts t a n d a r da n dt h en e e d i n go fa l lk i n d s s t u a t i o n i nt h i sp a p e r ，c o m b i n i n go ft h ec o o p e r a t i o no fa n h u ih u a l i n ga u t o m o b i l ec o ，l t d a n dt h ec o l l e g eo fm e c h a n i c a la n dv e h i c l ee n g i n e e r i n go fh u n a nu n i v e r s i t y ，w e p r o p o s e dt h em e t h o do fo p t i m i z a t i o ni nt h eh e a v y - d u t yt r u c k sa n dr e l a t e dc a s t i n g l i g h t w e i g h td e s i g no p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g ni nt h eh e a v y d u t yt r u c k sa n dr e l a t e d c a s t i n gl i g h t w e i g h td e s i g no p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g nh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u ea n d d e v e l o p m e n tp r o s p e c t s k e yw o r d s ：h e a v yt r u c k ；c a bs u s p e n s i o n ；c a s t i n go p t i m i z a t i o n ；h y p e r w o r k s ； l i t 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要。i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i 附表索引一v i i i 第1 章 绪论1 1 1 引言1 1 2 驾驶室悬置的研究现状2 1 3 铸件优化的研究现状3 1 4 本文研究的主要内容4 第2 章驾驶室铸件悬置的建模与优化设计6 2 1 驾驶室悬置系统的结构6 2 2 驾驶室前悬置铸件左右上支架优化6 2 2 1 有限元理论概述6 2 2 2a l t a i r h y p e r w o r k s 软件介绍7 2 2 3 原设计方案有限元分析8 2 2 4 拓扑优化1 0 2 3 驾驶室前悬置铸件左右下支架优化1 2 2 3 1 原设计方案有限元分析1 2 2 3 2 拓扑优化1 5 2 4 小结1 6 第3 章驾驶室前悬置铸件优化后静应力分析与摆锤碰撞分析一1 7 3 1 驾驶室前悬置左右上支架静应力分析1 7 3 1 1 优化后零件静力分析1 7 3 1 2 优化前与优化后零件静强度结果对比1 8 3 2 驾驶室前悬置左右下支架静应力分析1 8 3 2 1 优化后零件静力分析18 3 2 2 零件静强度结果分析1 9 3 3 碰撞方案及技术参数指标的确定1 9 3 4 驾驶室前悬置左右下支架碰撞分析2 1 3 5 小结2 3 i v 工程硕士学位论文 第4 章驾驶室前悬置铸件实车摆锤碰撞试验2 4 4 1 实车碰撞试验2 4 4 2 试验结果分析2 5 4 3 小结2 5 结 论2 6 参考文献。2 7 致 谢3 0 v 卜 一一 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 插图索引 图2 1驾驶室悬置装配结构总体示意图6 图2 2 采用有限元法进行结构分析的一般流程7 图2 3 h y p e r w o r k s 有限元分析的主要步骤8 图2 4 零件模型8 图2 5 施加载荷及边界条件后的有限元模型9 图2 6 两种工况计算结果1 0 图2 7填充材料后的零件模型1 l 图2 8 优化结果前视图1 1 图2 9优化结果后视图1 l 图2 1 0 优化后模型前视图1 2 图2 1 l 优化后模型后视图1 2 图2 1 2 优化后零件模型1 2 图2 1 3 零件优化前模型1 3 图2 1 4 施加载荷及边界条件后的有限元模型1 4 图2 1 5 五种工况下应力云图1 4 图2 1 6 零件材料相对密度分布云图1 5 图2 17 零件优化后模型1 6 图3 1工况1 有限元模型1 7 图3 2 工况2 有限元模型1 7 图3 3工况1 最大主应力分布云图一1 7 图3 4工况2 最大主应力分布云图1 7 图3 5有限元模型1 8 图3 6 工况一有限元分析结果1 8 图3 7 工况二有限元分析结果1 8 图3 8工况三有限元分析结果1 8 图3 9 工况四有限元分析结果1 9 图3 1 0 工况五有限元分析结果1 9 图3 1 1 标准碰撞示意图2 0 图3 1 2 下支架碰撞分析示意图2 1 图3 13 优化前变形云图2 2 图3 1 4 优化前应力云图2 2 v i 工程硕士学位论文 图3 1 5 优化后变形云图2 2 图3 1 6 优化后应力云图2 2 图4 1载重车整车的摆锤正面碰撞实验现场2 4 图4 2实验现场碰装前一2 5 图4 3实验现场碰装后2 5 图4 4 驾驶室悬置碰撞前2 5 图4 5驾驶室悬置碰撞后2 5 v i l 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 附表索引 表2 1驾驶室前悬上支架受力工况9 表2 2 驾驶室前悬下支架受力工况1 3 表3 1 计算结果1 8 表3 2 优化前与优化后零件静强度结果1 9 表3 3材料性能数据2 2 表3 42 种方案碰撞分析计算结果2 3 v i l l 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着科学技术的快速发展，人们环保意识逐渐增强，“节能减排”的问题越来 越受到人们的重视。如何在汽车迅猛发展的时候同时实现汽车的节能减排成为了 各汽车企业考虑的头号问题。能源问题在现阶段还没办法得到很好的改善，因此 各汽车企业都从其他途径来追求汽车的低排放。减轻汽车自身重量，是提高汽车 燃油经济型，降低汽车c q 排放的有效措施之一。追求轻量化是汽车行业永恒的 主题，汽车轻量化一直是汽车业不断进行技术更新的目标。根据国外有关试验资 料，车辆减轻自身质量1 0 ，可降低油耗5 - - 8 。对载货汽车来说，减轻质量 还提高了有效载重质量，即增加了质量利用系数，从而提高了运输效率，降低了 运输成本，这相对来说也是降低了燃油费用。因此，在保证汽车的整体强度和使 用可靠性的前提下，汽车轻量化是达到节能减排的重要途径之一。对于重型卡车 行业，因为混台动力、电动和燃料电池等新能源汽车技术的应用困难重重和前景 不明，故轻量化成为目前重卡行业节能减排最现实而又最有效的技术措施。据世 界铝业协会的报告指出，随着汽车轻量化技术在汽车业中不断的技术更新，越来 越多的企业开始关注汽车轻量化技术的发展，在汽车技术发展中，轻量化的应用 已成为企业技术和产品水平的重要衡量指标之一，而其中总成零部件的轻量化是 推进整车节能重要基础【l 】。 轻量化必须满足整车的安全性、舒适性等要求。在2 0 0 9 年3 月份公布的汽车 产业调整和振兴规划细则中，明确提到要将重载汽车占载货车的比例达n 2 5 以上。进入2 0 0 9 年以来，国内重型卡车市场回暖迹象明显，2 月份陕西重汽的销量 达4 0 0 0 多辆，福田欧曼近5 0 0 0 辆。据最新数据分析显示，3 月份中国重汽的重卡销 售量达到了1 8 万辆，同比增长1 6 ，环比增长达到1 0 0 ，创下了历史最高水平。 1 2 - 3 随着国家对公路基础建设的投入，公路运输的作用日益增大，重载汽车作为公 路运输的主要工具，其轻量化受到越来越多的商家和研究人员的关注。 重载汽车的轻量化研究主要有两种途径：第一，轻量化材料的使用。主要是 以低密度材料替代钢铁材料和使用高强度材料降低钢板厚度规格。目前国内外载 货汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料 等。第二，重载汽车各零件的结构优化设计。目前国内外主要是采用c a e 技术对 重载汽车的车架、驾驶室、保险杠等进行优化设计，相对新材料的应用，结构优 化设计能够更直接、迅速的体现轻量化设计，使零部件薄壁化、中空化、小型化 。一 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 等最大限度的减轻零部件的质量。例如东风商用车的整车轻量化主要围绕下面两 个途径来实现。第一，新材料和替代材料的应用。东风商用车在车辆零部件，如 发动机、变速器等采用铝台金，并在一些零部件上尝试使用镁台金。在地板、车 架纵粱等采用高强度钢板进行生产和试制。在部分管路、工具箱等部件使用塑料、 橡胶等材料。第二对车辆进行模块化设计，包括对悬架、发动机、车桥等零部 件进行模块化设计，通过减少冗余的零部件实现整车轻量化 4 - 7 1 。 现阶段在重型卡车上轻量化材料的运用主要包括高强度钢、铝合金、镁合金、 塑料及复合材料。轻量化材料的运用使得汽车在一定程度上达到了减轻质量的目 标，然而新型材料的开发及运用在技术上要求还很高，现阶段还无法达到完全符 合汽车工业发展的要求。新型材料在重卡上的运用无疑会增加重卡的生产成本， 因此解决重卡轻量化的问题主要还是从结构件的优化入手。例如法士特公司在其 变速箱行业中努力创新在宝鸡公司建设了大型铝合金压铸生产线为变速器的轻量 化发展奠定了牢固基础。该生产线的投入可使产品在轻量化技术创新、节能、环 保等方面取得了重大突破，总重量减轻约1 0 8 公斤，为整车实现节能和轻量化提供 了最优化配置。 汽车驾驶室的轻量化设计在整车轻量化目标中占据着重要的比重，现阶段驾 驶室的轻量化主要是从结构设计上入手，尽量优化驾驶室结构，使得驾驶室满足 空间要求的前提下耗用的材料更少。然而驾驶室直接决定着汽车的舒适性，在结 构设计和优化时必须综合考虑到汽车行驶时的舒适性问题，这对驾驶室的结构要 求提出了挑战。本为就是在这个背景下提出了对驾驶室悬置铸件进行优化的方法， 从这部分着手使得驾驶室达到轻量化的目的。 1 2 驾驶室悬置的研究现状 驾驶室悬置的研究对汽车的平顺性和舒适性的研究和改善起着至关重要的作 用。驾驶室悬置的隔振系统一般利用弹簧阻尼元件构成悬置系统将驾驶室与车架 相连。例如北汽福田欧曼等。所谓驾驶室悬置是指利用弹簧阻尼元件构成悬置系 统，将驾驶室悬置在车架上。目前驾驶室悬置系统按结构形式分主要包括全浮式 驾驶室以及半浮式驾驶室两种。 全浮式驾驶室即驾驶室由前后左右四组弹性元件构成悬置系统将驾驶室悬置 于车架之上。全浮式驾驶室悬置系统由前、后两组悬置系统组成，前悬置结构包 括螺旋弹簧、筒式减振器、横向稳定杆、拉杆等，后悬置结构包括横梁、螺旋弹 簧以及拉杆等。全浮式汽车驾驶室悬置系统，涉及汽车驾驶室悬置结构领域。包 括两组前悬置和两组后悬置，前悬置包括钢板弹簧、缓冲块和减震器。钢板弹簧 上下分别与驾驶室和车架连接，用于吸收驾驶室的震动，缓冲块用于限位和缓冲， 减震器对上下颠簸起到阻尼作用，防止振动谐波的产生。后悬置包括驾驶室锁止 2 工程硕士学位论文 机构、连接板、支架和减震器。驾驶室锁止机构用于驾驶室的支撑和锁止，后悬 置的减震器对驾驶室的震动起到缓冲作用，根据不同的道路条件可对其刚度进行 调节。该系统优点在于：能够明显改善驾乘人员的乘坐舒适性，减轻驾乘人员的 疲劳强度；当遇到碰撞时，驾驶室可以产生位移，有效吸收碰撞能量，大大提高 安全性，减轻或降低汽车碰撞时的伤亡。半浮式驾驶室相对于全浮式驾驶室而言， 其驾驶室前部两个支承点采用铰接方式与车架相连，后悬置结构也采用弹簧和阻 尼元件构成后悬置连接到车架上。针对驾驶室悬置，国内外很多企业研究机构进 行了很多研究，主要从改善汽车的平顺性以及舒适性上入手，对驾驶室悬置的隔 振系统进行了改善h j 。 驾驶室悬置不仅对汽车的平顺性和舒适性有重要的影响，同时对整车的可靠 性和安全起着至关重要的作用。现阶段各汽车企业对驾驶室悬置的隔振性能研究 很多，不论是全浮式驾驶室还是半浮式，在平顺性和舒适性的研究上都取得了一 定得成果，而对于驾驶室悬置的可靠性研究较少。驾驶室悬置一般采用铸件，铸 件的强度、刚度、疲劳等性能对驾驶室悬置的可靠性起着重要的保障作用，如何 改善铸件的各项性能，如何使悬置铸件的可靠性得到提高，如何从结构上来优化 铸件实现可靠性与轻量化的双重目标是现在驾驶室悬置研究的一个难题。 1 3 铸件优化的研究现状 铸造是国民经济的重要产业部门之一，它反映着一个国家的工业水平与规模。 随着汽车、机械等行业的迅猛发展，大型复杂铸件的需求越来越大，对铸件的性 能及铸件的可靠性也要求越来越高。先进制造技术的发展，要求铸件的生产朝轻 量化、精确化、强韧化等方向发展【9 j 。c a d c a e 技术的发展及其咋铸件生产中的 广泛应用，为大型复杂铸件的优化提供了重要手段。目前，对于大型复杂铸件结 构优化的主要方法有基于p r o c a s t 、m a g m a s o f t 、c a s t c a e 、f o r c a s t 、 s o l d i a c a s t e m 、h y p e r w o r k s 等软件的优化应用。目前，已经有成功的方法及软件 来实现铸件的拓扑优化，比如基于水平集方法的铸件拓扑优化方法，它不仅可以 优化铸件的机械性能，也可以保证铸件具有合适的几何形状。从功能上来看，许 多软件大都是基于有限差分法，可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力 铸造等工艺进行温度场、流场的数值进行模拟，并可以预测铸件的缩孔、缩松等 缺陷眇1 1 1 。 铸件在汽车工业上的运用是相当多的，目前随着汽车工业的飞速发展，人们 对汽车的各种性能要求越来越高，特别是近几年对汽车工业提出了节能减排的要 求所，各企业在寻求能源改善的同时也致力于对汽车的各结构件进行优化，实现 汽车的轻量化目标。 通常业内关注的汽车轻量化主要有两个发展途径。一是通过整车和零部件优 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 化结构设计，如除去零部件多余部分，减少零部件数量，设计全新结构等。二是 优化材料设计，即低密度材料代替钢铁材料，主要采用轻量化材料以减轻零部件 重量。 在国外主要是利用铝合金材料来铸造驾驶室悬置铸件，铝铸件具有优良的机 械、物理性能，它可以有各种不同的强度、硬度、韧性配合的综合性能，还可兼 具一种或多种特殊性能，如耐磨、耐高温和低温、耐腐蚀等。铝铸件的重量和尺 寸范围都很宽，重量最轻的只有几克，最重的可达到4 0 0 吨，壁厚最薄的只有o 5 毫米，最厚可超过1 米，长度可由几毫米到十几米，可满足不同工业部门的使用 要求。对于同样大小的铸件，铝铸件重量很明显小于铸钢材料从而达到了零部件 的轻量化，满足现阶段铸件优化的前提。 而国内由于铝合金悬置铸件在重型卡车上的应用还不成熟，目前对于实际应 用中的保守设计，生产中采用铸钢材料保证力学性能满足要求，轻量签鲑越来越 受重视，减轻车辆自重；采用铸造件，传统的冲焊结构零件，由于材料和制造工 艺的限制，各部位只能是等厚度的，为了确保零件的整体强度和刚度，冲焊件往 往都比较厚重，这无疑是与现阶段汽车轻量化发展趋势的背离，因此对铸钢件的 优化，减轻其重量是现在研究的热点，也是具有一定的现实可行性。 随着c a e 技术的发展，经过模拟实验和分析，可以计算出同一个钣金件的不 同部位的受力情况，为了减轻一些零件局部的不必要厚度，减少其整体的重量， 是如今铸钢件优化的核心内容。 最显著的例子即是乔治费歇尔汽车产品( 苏州) 有限公司展示了可替代传统 锻件和钢铁制件的轻量化高强度铸件【l 引。该公司市场及销售部总监宋成亮告诉记 者，他们研发生产的铸件产品通过优化设计，重量大幅降低。以汽车副车架为例， 采用传统钢铁制件的副车架需要3 0 多个单独部件，通过焊接而成，不仅重量大， 而且投入资金多，成本加大。他们采用轻合金副车架铸件，则只需要1 个部件， 在减少投资的同时，还可减轻产品重量4 0 。 1 4 本文研究的主要内容 在汽车轻量化的背景下，尤其是国家强制记重收费政策的实施，在实际过程 中普遍存在着华菱星凯马整车较其它同类型号车重了约8 0 0 k g ，这就严重制约了 星凯马整车的销售市场。因此驾驶室悬置铸件的减重优化作为华菱公司整车减重 的一个重要部分，在当前的发展形势下就显得极为迫切。 本文以重型载货汽车为研究对象，对驾驶室悬置铸件轻量化进行了研究，提 出了优化前后的各方案，用空间几何的方法建立悬置铸件优化的数学模型；在此 基础上，利用h y p e r w o r k s 软件设计对悬置铸件设计参数进行优化，使参数更加合 理，确保其性能达到最优。 4 工程硕士学位论文 轻量铸件越来越受重视，减轻车辆自重，采用铸造件，传统的冲焊结构零件， 由于材料和制造工艺的限制，各部位只能是等厚度的，为了确保零件的整体强度 和刚度，冲焊件往往都比较厚重。结构件可以通过有限元软件进行c a e 分析，对 结构进行优化，根据各部位的受力情况设计成复杂的变厚度、变截面的结构，在 保证有足够强度的前提下最大限度的削减不必要的局部厚度，从而大大减轻零件 重量由于驾驶室悬置铸件是驾驶室落在底盘上的主要支撑部件，主要受到驾驶室 的自重冲击载荷及向前的冲击力的作用。本课题分析，在现有的条件下通过对零 件静强度分析，确定优化方案，并采用c a e 分析，确定零件结构是否满足设计要 求。 本文所介绍的计算分析方法对于车辆悬置铸件的开发阶段转向系统的设计与 优化有重要意义，为重型汽车轻量化的设计提供了设计参考。可以大幅度缩短产 品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高了产品质量，也提高了产 品的系统性能，获得最优化和创新的设计产品。 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 第2 章驾驶室铸件悬置的建模与优化设计 2 1 驾驶室悬置系统的结构 驾驶室悬置铸件是驾驶室落在底盘上的主要支撑部件，主要受到驾驶室的自 重冲击载荷及向前的冲击力的作用。本文研究所采用的华菱公司生产的星凯马重 型卡车驾驶室悬置为全浮式悬置。全浮式悬置系统是指驾驶室所有悬置均采用螺 旋弹簧、钢板弹簧或空气弹簧作为弹性支撑元件，采用液力减振器作为阻尼元件， 能够获得较大行程的悬置系统。图2 1 为星凯马重卡驾驶室悬置示意图。 前悬左右托梁 ( 2 8 h 0 8 11 0 2 1 )圈 前悬左右上支架 ( 5 0 h 0 8 一1 1 0 1 3 1 4 ) 左右翻转轴压板 ( 5 0 h 0 8 一0 1 2 4 5 4 6 ) 翦巷曼吉下支架 f 5 0 h 0 8 - 11 0 1l 1 2 图2 1驾驶室悬置装配结构总体示意图 2 2 驾驶室前悬置铸件左右上支架优化 为了准确的了解原设计受力情况以便发现其潜在的设计缺陷，在进行驾驶室 铸件悬置的优化设计之前需要对原设计进行有限元分析。 2 2 1 有限元理论概述 有限元法( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问题代 替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成， 对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条 6 工程硕士学位论文 件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解， 因为实际问题被较简单的问题所代替。有限元法的基本思想可概括为“先分后合” 或“化整为零又积零为整”。具体地说：先将连续的求解域离散为有限个单元体，使 其只在有限个指定的节点上相互连结；然后对每个单元选择一个比较简单的函数， 近似表达单元的物理量，如单元的应力或位移，并基于问题描述的基本方程建立 单元节点的平衡方程组；再把所有单元的方程组集成为整个结构力学特性的整体 代数方程组；最后引人边界条件求解代数方程组而获得数值解，如结构的应力分布 和位移分布等引。 图2 2 采用有限元法进行结构分析的一般流程 从使用有限元程序的角度看，有限元分析可分为三个步骤，即有限元分析的 前处理、有限元分析的计算和有限元分析的后处理。如图2 2 所示为采用有限元 法进行结构分析的一般流程： 2 2 2a l t a i r h y p e r w o r k s 软件介绍 h y p c r w o r k s 集成了开放性体系和可编程工作平台，可提供顶尖的c a e 建模、 可视化分析、优化分析、以及健壮性分析、多体仿真、制造仿真、以及过程自动 化。h y p e r w o r k s 包括以下模块：a l t a i r h y p e r m e s h 高性能、开放式有限单元前后 处理器，a l t a i r m o t i o n v i e w 通用多体系统动力学仿真及工程数据前后处理器， a l t a i r h y p e r g r a p h 强大的数据分析和图表绘制工具，a l t a i r h y p e r f o r m 集成 h y p e r m e s h 强大的功能和金属成型单步求解器，a l t a i r h y p e r o p t 使用各种分析软 7 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 件进行参数研究和模型调整的非线性优化工具，a l t a i r o p t i s t r u c t 世界领先的基于 有限元的优化工具，使用拓扑优化方法进行概念设计。a 1 t a i r o p t i s t r u c t f e a 基本 线性静态、特征值分析模块【1 3 。1 6 1 。 图2 3 所示为利用h y p e r w o r k s 进行有限元分析的主要步骤，前处理在 h y p e r m e s h 中完成，求解时可以根据分析对象的要求选择不同的求解器，一般的 分析问题可以使用a n a l y s i s 或o p t i s t r u c t 求解，优化设计问题使用o p t i s t r u e t 求解， 后处理可以直接使用h y p e r m e s h 的后处理功能，也可以选用h y p e r v i e w 。 7 i 。赢淼 划分单元 ( i d 2 d 3 d l 目 7 0 0 0 k g 癣 懦 e s f 下5 0 黑m 感霞弱 6 i m 爹霭鬣 l 枷m m 醚豳旷 三争 乏 塑歌砂 图3 1 1 标准碰撞示意图 2 0 工程硕士学位论文 2 摆锤正面碰撞分析方案设计及技术指标确定 因在实际碰撞中，下支架所受冲击力最大，其为铸钢材料，刚度远比驾驶室前 围钣金小得多，如下支架满足碰撞要求，则上支架在碰撞中不会产生裂纹和脱落。 所以本文仅对悬置下支架进行摆锤正面碰撞分析。模拟其在摆锤正撞试验工况的 受力情况，并比较优化前后前悬支架结构的强度等性能。 根据摆锤正碰的试验法规，在进行模拟仿真分析时，确定如下技术指标：摆锤 尺寸为1 2 5 0 m m x s 0 0 m m ，重量为8 7 0 k g ，撞击速度为7 5 8 1 m s 3 4 驾驶室前悬置左右下支架碰撞分析 1 分析目的 通过有限元仿真软件，分析前悬支架优化前后各方案，在摆锤试验工况下的 受力情况，为设计提供参考。 2 仿真软件 c a e 分析前处理软件为a l t a i r h y p e r w o r k s 9 0 ，分析软件为r a d i s s 9 0 ，后 处理软件为h y p e r v i e w 9 0 。 3 受力工况设定 优化前：前悬左右下支架( 5 0 h 0 8 11 0 11 ) ( 老结构) 与前悬左右托梁 ( 2 8 f d 11 0 2 1 )装配在一起做碰撞分析。 优化后：前悬左右下支架5 0 h 0 8 11 0 1 1 a ( 优化结构) 与前悬左右托梁 ( 2 8 f d 1 1 0 2 1 ) 装配在一起做碰撞分析。 摆锤尺寸为1 2 5 0 m m x 8 0 0 m m ，重量为8 7 0 k g ，撞击速度为7 5 8 1 m s ，所有连 接包括橡胶衬套均采用刚性连接，如图3 1 2 所示。 1 ：5 0 m m 两 l i 藿 图3 1 2 下支架碰撞分析示意图 2 1 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 4 材料特性 优化前支架采用z g 2 7 0 5 0 0 钢，优化后的前支架采用z g d 6 5 0 8 3 0 钢制成。 由于缺少材料特征曲线，分析时两种材料的硬化指数取与屈服极限相同值，材料 的物理属性如表3 3 所示。 表3 3 材料性能数据 5 试验结果分析 1 、优化前在摆锤撞击下支架的有限元计算结果如图3 7 至图3 9 所示。 工程硕士学位论文 优化前 优化后 强度极限( m p a ) 5 0 0 8 3 0 计算结果( m p a ) 4 4 7 6 7 7 9 8 由上表的计算结果可知，优化后支架在受到摆锤正碰后，强度仍然在极限范 围之内，满足设计要求。 3 5 小结 本章通过对驾驶室悬置铸件上下支架静应力分析，从优化支架的应力云图可 知，安全系数均满足各种工况及产品设计要求。 在摆锤正面碰撞分析中，上述分析所得简化模型是在碰撞能量无损失的情况 下得出的最大碰撞力，且全部施加在零件上，另由于车身钣金件较薄，在碰撞过 程中车身钣金件会变形较大，吸收碰撞能量相对较少，在分析中前悬上支架过程 中，不能固定与车身相连的装配孔，而实际分析中固定了装配孔，吸收能量相对 较多，也就是说，若在此模型下所进行的静力分析中，零件没有破坏，则在碰撞 过程中，零件的强度也满足要求。 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 第4 章驾驶室前悬置铸件实车摆锤碰撞试验 4 1 实车碰撞试验 根据以上分析，该载重车驾驶室悬置铸件优化后结构的正面碰撞分析符合欧 洲e c er 2 9 规范要求。为了进一步确保在实际工况下优化后驾驶室悬置铸件能够 适应复杂环境、不同工况下的使用要求，和仿真进行对比分析，于2 0 1 0 年8 月 1 2 日，在长春检测中心进行了该载重车整车的摆锤正面碰撞实验。 图4 1载重车整车的摆锤正面碰撞实验现场 试验主要模拟车辆在发生正面碰撞的情况下，重点考察悬置的破坏情况，看 铸件悬置是否有断裂现象，导致驾驶室与车架脱落现象。同时还考察车门的锁止 情况，以及车厢内生存空间的大小，评价车身结构的合理性及乘员安全性等。 首先将车架固定在地面，驾驶室与悬置铸件连接，并依实际装车情况固定在 车架上，同时进行校正；用15 0 0 k g 钢制摆锤以4 5 0 0 k g f 的能量冲击车身r 点下方 5 0 m m 处。为同时考察其它项目，采用了高速摄影仪、n i 数字采集设备、加速度 传感器、直流电源、l a b v i e w 软件、脱钩装置、行车等设备。 试验前需检查是否满足标准规定的如下要求： 1 试验前关闭车门，但不上锁； 2 发动机及传动系统安装在车架上； 3 驾驶室安装在车架上； 4 摆锤质量和重量符合标准要求； 5 摆臂长度和截面惯性矩符合要求； 6 摆锤和摆臂系统的质心与车辆的r 点相对位置符合要求； 7 摆锤的撞击方向和撞击能量符合要求； 8 车辆的固定方式满足法规要求； 9 车辆调整至量产状态；座椅调整到r 点状态。 工程硕士学位论文 4 2 试验结果分析 在e c e 2 9 法规中，为保证车辆使用中的安全性，明确规定了试验后，驾驶室 与车架不得有脱落现象。而驾驶室与车架是通过驾驶室悬置系统连接的，实践经 验表明，悬置铸件是最易出现问题的薄弱部位。经过实验的验证，驾驶室悬置没 有出现铸件开裂等现象，通过了摆锤碰撞试验的考验。 图4 2 实验现场碰装前图4 3 实验现场碰装后 4 3 小结 图4 4 驾驶室悬置碰撞前图4 5 驾驶室悬置碰撞后 本次长春检测中心的华菱新凯马的整车摆锤碰撞试验，是以华菱新凯马出口 欧洲，需通过e c e 欧盟法规认证为契机，进行的驾驶室前悬置铸件的检测。试验 场地为国内权威检测中心，检测报告为欧洲检测机构出。因此检测过程严格按照 e c e 法规要求进行。试验结果及其后e c e 欧盟法规认证中心发过来的检测报告显 示，优化后的驾驶室前悬置上下两铸件支架，经受住了苛刻的摆锤碰撞考验，同 时也进一步验证了优化方案及碰撞分析的正确性。 后期通过小批量装车，用户使用，截止到目前为止，有的已超过了1 0 万公 里，零件使用情况良好。 重型卡车驾驶室悬置铸件优化设计 结论 本文以重型载货汽车驾驶室悬置系统为研究对象，利用c a e 技术对着重构成 驾驶室悬置系统的铸件进行了研究。针对驾驶室悬置铸件在实际使用中，往往容 易开裂而成为安全隐患的情况，本文从对其周边环境进行分析，确定驾驶室悬置 铸件上下支架作为研究的重点。针对该重型载货汽车现生产上下支架笨重粗壮的 实际情况，首先利用h y p e r w o r k s 软件对其结构优化，为验证优化的正确性及实用 性，其后对其进行静强度分析和碰撞分析，最后又通过实车碰撞分析、搭载装车 试验，历时一年半，通过反复设计、验证