低速汽车推拉索支架的优化设计.pdf

低速汽车推拉索支架的优化设计张烈明，李静，许志良，崔震，郭继文（合智数创（山东）科技开发有限公司，山东 日照 ；山东五征集团有限公司，山东 日照 ）摘要：目前低速汽车普遍所使用的推拉索支架多为 材料钣金件，且多为经验设计，从优化设计的角度看，存在重量较重、结构力传递不够合理等缺点。为了克服上述缺点，利用 软件的拓扑优化技术进行全新设计支架，使结构更加合理，实现减重降本目的的同时提升支架的可靠性。关键词：拓扑优化；降本；轻量化；可靠性中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），；，）：，：；随着低速汽车运输行业产品更新换代，同时节能减排的环境保护理念不断发展，低速运输车也经历了国一、国二、国三的排放升级，各低速运输车整机制造业也面临严峻的成本管控。因此各大车企纷纷下大力气降本，缩短研发周期，减少设计变更无疑是降低研发成本主要途径之一。推拉索组件及其固定支架是变速系统重要组成部分，其强度、刚度、稳定性等性能对于整车行走功能的正常使用有着基础性影响，合理的推拉索支架结构，会有效地保证行走系统功能的高效使用，同时进行材料和结构的优化能够获得更多的降重降本空间。传统的推拉索支架多为经验设计，振动明显，且容易发生断裂，结构的失效大多发生在应力集中区域。本文利用 软件采用拓扑优化 的方法全新设计推拉索支架，同时综合考虑其它相关性能要求，去除多余材料，使材料合理分布，不仅有效地降低应力集中还减轻了支架重量，同时提升了刚度、模态、强度等性能，对于低速运输车轻量化 设计，缩短新产品开发周期，降低新产品开发成本有重大指导意义。原结构压缩机支架强度、刚度、模态分析 基础载荷获取根据力测试数据，在高低档、换挡和换位推拉索孔中心处分别施加 的力，方向为双向。工况研究根据推拉索支架实际的载荷情况，选取高低档推、高低档拉、换挡拉、换挡推、换位推、换位拉 种典型工况进行推拉索支架的 分析，具体工况描述如表 所示。模型简化的约束条件为：支架与车架安装孔全约束，如图 所示。表 种典型工况 工况（高低档推）工况（高低档拉）工况（换挡拉）工况（换挡推）工况（换位推）工况（换位拉）工况说明：该工况模拟车辆正常行驶，对高低档进行推拉操作的场景工况说明：该工况模拟车辆正常行驶，对换挡杆进行推拉操作的场景工况说明：该工况模拟车辆正常行驶，换位操作时进行推拉操作的场景收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，图 原结构约束模型图 材料参数推拉索支架各零部件材料参数如表 所示。表 各零部件材料参数 材料弹性模量 泊松比密度（）推拉索支架约束模态分析计算原结构的 阶约束模态，按照图 进行设置，前 阶约束模态如图 图 所示，阶负载模态为 ，阶模态 ，阶模态 。图 约束模态载荷设置 图 原结构 阶模态 拖拉索支架静力学强度、刚度分析图 图 为原结构种典型工况的 应力和位移分析结果，可以看出，高低档动作时，推拉索支架的 应力和位移最大，分别为 和 ，应力和位移云图如图、图 所示。图 原结构 阶模态 图 原结构 阶模态 图 原结构 种工况最大 应力 图 原结构 种工况最大位移 图 原结构高低档推 拉工况 应力 拖拉机与农用运输车第 期 年 月图 原结构高低档推 拉工况位移 原结构选用材料为 ，屈服强度为 ，原结构静力学分析最大应力为 ，安全系数为 ，性能满足理论分析要求。原结构重量为 ，结构为冲压成型件，成本较高，较笨重。为降低成本，根据提取的原结构性能指标，对推拉索支架进行拓扑优化，设计新结构，以实现降本降重。拓扑优化以体积分数、位移、应力和加权应变能为响应，约束最大位移为 ，最大应力 ，设置体积分数为 ，以加权应变能最小为优化设计目标，建立推拉索支架拓扑原模型（拓扑原模型建立的准则：只要不干涉的地方尽量补全材料）进行拓扑优化，拓扑结果如图 所示。图 拓扑优化结果 优化设计根据最终拓扑结果，综合考虑压钣金成型工艺及制造成本，优化后推拉索支架如图 所示。图 优化后推拉索支架 出于轻量化及降本方面的考虑，推拉索支架新结构材料继续采用 。材料参数：弹性模量 ，泊松比 ，密度 ，屈服强度 。优化后方案静力学强度、刚度、模态分析 优化后方案推拉索支架约强度、刚度分析新结构载荷工况与原结构 分析时保持一致。图 图 分别为为新结构 种典型工况的 应力和位移分析结果，可以看出，换挡工况时新结构的 应力和位移最大，分别为 和 ，应力和位移云图如图 和图 所示。图 优化后方案 种工况最大 应力 图 优化后方案 种工况最大位移 图 优化后方案换挡工况 应力 图 优化后方案冲击工况位移 张烈明等：低速汽车推拉索支架的优化设计 优化后推拉索支架约束模态分析优化后模态分析加载与原结构进行约束模态分析时加载一致，对优化后方案进行约束模态分析，一阶负载模态为 ，二阶负载模态 ，三阶负载模态 。阶梯模态云图如图 图 所示。图 优化后方案 阶模态 图 优化后方案 阶模态 图 优化后方案 阶模态 成本对比分析利用 工艺成本仿真软件对原方案和优化设计新方案进行成本仿真分析并对比，重量降低 ，成本降低 ，成本核算对比如图 所示。对比分析结果汇总将优化的推拉支架优化后与原结构分析结果进行对比，对比结果见表 ，可以看出，推拉索支架优化后重量比原结构降低 。原结构为冲压模具成型件，优化后为钣金折弯件，制作成本大大降低，推拉索支架优化后成本比原结构成本降低 ，推拉索支架优化后比原结构安全系数提升 。图 成本核算对比 表 优化后推拉支架与原结构理论分析结果对比 项目原结构新结构新结构对比原结构提升最大应力 最大位移 阶梯模态 材料 重量 成本 元 安全系数 结束语本文利首先利用 仿真分析方法对原结构进行性能分析，后用拓扑优化的方法对推拉索支架进行拓扑空间搭建，构建优化空间，进行结构优化，通过重塑力传递路径，进行结构再设计，进一步降本降重，并出于轻量化及降本的考虑，未更换材料。新结构采用钣金折弯工艺实现不同于原结构的冲压模具方案，新结构避免了原结构冲压成型模具的投放，成本会得到一定程度的降低。推拉索支架优化后比原结构强度、刚度、模态等性能都有明显提升。安全系数提升 ，同时重量降低 ，成本降低 ，达到降本预期要求。参考文献 葛绪坤，车媛媛 基于拓扑优化的某压缩机支架轻量化设计 环境技术，（）：，：（编辑张晓超）作者简介：张烈明（），本科，工程师，主要从事结构优化设计工作。拖拉机与农用运输车第 期 年 月