優(yōu)化方法在汽車制動(dòng)器設(shè)計(jì)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(dòng)器壓力容積 OptiStruct 拓?fù)鋬?yōu)化

借助于優(yōu)化方法,設(shè)計(jì)人員在概念階段即可對(duì)結(jié)構(gòu)根據(jù)需求進(jìn)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(dòng)器壓力容積的優(yōu)化為例,詳細(xì)介紹了如何運(yùn)用 OptiStrcut軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的過程。應(yīng)用表明該方法能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)計(jì)算壓力容積值并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改優(yōu)化,從而達(dá)到降低成本的目的。

1 概述
機(jī)械結(jié)構(gòu)分析目前已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)輔助手段,而作為體現(xiàn)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要組成部分,它直接影響汽車的安全性。制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)中用以產(chǎn)生阻礙車輛的運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力的部件,它是汽車制動(dòng)時(shí)的直接執(zhí)行者,由于制動(dòng)時(shí)所需要的巨大摩擦力,使得制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度成為設(shè)計(jì)時(shí)很重要的參數(shù)之一。而壓力容積指的是制動(dòng)時(shí)由于制動(dòng)器受力變形引起的制動(dòng)液補(bǔ)液量,它實(shí)際上體現(xiàn)了整個(gè)制動(dòng)器系統(tǒng)的剛度,對(duì)駕駛者制動(dòng)時(shí)的踏板感覺有著直接影響,也是制動(dòng)器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的對(duì)象之一。
由于壓力容積的重要性,在制動(dòng)器設(shè)計(jì)初期對(duì)其進(jìn)行有限元模擬計(jì)算是必不可少的環(huán)節(jié)。影響制動(dòng)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(jì)剛度等等,因而對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算的工作量也相對(duì)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(jì)中必須考慮的問題。
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件日新月異的發(fā)展,使得對(duì)一些系統(tǒng)級(jí)的大規(guī)模計(jì)算成為了可能。但往往這些復(fù)雜的模擬會(huì)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(tuán)目前是世界上最大的汽車制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商之一,對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)已建立起全面的能力,能夠?qū)χ苿?dòng)系統(tǒng)的各種部件進(jìn)行不同類型的分析,如結(jié)構(gòu)計(jì)算,模態(tài)分析,熱分析,拓?fù)鋬?yōu)化等等。
本文針對(duì)某制動(dòng)器開發(fā)項(xiàng)目詳細(xì)介紹了如何應(yīng)用CAE軟件對(duì)制動(dòng)器殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?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(dòng)器系統(tǒng)壓力容積拓?fù)鋬?yōu)化分析過程簡(jiǎn)介
2.1 盤式制動(dòng)器工作原理
制動(dòng)器的支架通過螺栓固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上,殼體又通過制動(dòng)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(duì)滑動(dòng)。活塞在制動(dòng)壓力的作用下推動(dòng)活塞側(cè)摩擦片,使之壓靠在制動(dòng)盤上。同時(shí)制動(dòng)壓力推動(dòng)制動(dòng)器殼體沿導(dǎo)向銷移動(dòng),使拳側(cè)摩擦片也壓靠在制動(dòng)盤上,產(chǎn)生制動(dòng)力。于是,制動(dòng)盤兩側(cè)被摩擦片夾住,而被制動(dòng)。制動(dòng)盤又和車輪輪轂緊固在一起,所以車輪也停止轉(zhuǎn)動(dòng)。盤式制動(dòng)器的總成見圖1。

圖1 制動(dòng)鉗總成

2.2 分析目標(biāo)
某制動(dòng)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(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化以避免過大的剛度和材料浪費(fèi)。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(shí)得到最輕質(zhì)量。
2.3 分析過程
1.計(jì)算原鋁質(zhì)殼體的系統(tǒng)壓力容積值
2.對(duì)最大設(shè)計(jì)模型(根據(jù)公差計(jì)算及零件必需功能所得)進(jìn)行系統(tǒng)壓力容積計(jì)算,并提取出接觸壓力結(jié)果作為優(yōu)化時(shí)的載荷邊界條件。
3.使用Altair OptiStruct對(duì)制動(dòng)器殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。
4.得到優(yōu)化結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行壓力容積計(jì)算。
5.對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行CAD建模,并計(jì)算重新建模后的CAD模型,如有需要再實(shí)施第二輪優(yōu)化。
由于本文主要介紹的是拓?fù)鋬?yōu)化的思路和過程,在此不對(duì)壓力容積計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)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(gè)制動(dòng)器軸向的變形引起的,在模擬計(jì)算時(shí)可以去掉一些不必要的零件,簡(jiǎn)化為由殼體,活塞,摩擦片材料,摩擦片背板和制動(dòng)盤組成的分析總成,而通常這些零件又是左右對(duì)稱的,因此在劃分網(wǎng)格時(shí)只需分析一半以減少單元數(shù)量。
將裝配體模型進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化,去除一些不必要的細(xì)節(jié)特征,如小倒角,小孔等,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所有的網(wǎng)格均采用三維實(shí)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(jìn)行壓力容積計(jì)算的最大設(shè)計(jì)模型網(wǎng)格見圖2。

圖2 模型網(wǎng)格

在壓力容積計(jì)算完成后,將模型中的殼體網(wǎng)格導(dǎo)入HyperWorks進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)果見圖3。

圖3 最大殼體設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)度單位為:mm
2.4.3 邊界條件及接觸定義
進(jìn)行壓力容積計(jì)算時(shí)需在ABAQUS內(nèi)設(shè)置多個(gè)接觸對(duì),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(dòng)盤以及殼體拳側(cè)與外側(cè)背板等。在計(jì)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(gè)接觸對(duì)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(duì)殼體加上對(duì)稱約束,并且對(duì)某些節(jié)點(diǎn)加自由度約束以消除剛體自由運(yùn)動(dòng)。
2.4.4 拓?fù)鋬?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(jì)需要定義合理的設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果。

表1 計(jì)算結(jié)果(DV1即為壓力容積值)

圖4為優(yōu)化后形狀結(jié)果,單元密度取0.5。

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。

圖5 CAD模型

圖6為15倍放大后的軸向變形云圖。

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(jìn)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)。

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