何昌德，董春旺，吳 鋒

(1.浙江大學(xué)，動力機(jī)械及車輛工程研究所，杭州 310027;2.臺州科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，臺州 318020)

前言

汽車轉(zhuǎn)向盤骨架作為轉(zhuǎn)向盤的核心部件，相關(guān)的法律法規(guī)要求對轉(zhuǎn)向盤做多方面必要的性能試驗，其主要有:靜壓、靜扭強(qiáng)度、壓疲勞試驗和扭曲疲勞等。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中對骨架結(jié)構(gòu)性能和鑄造工藝因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鎂合金轉(zhuǎn)向盤骨架出現(xiàn)的斷裂、裂紋和嚴(yán)重變形等缺陷與鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料成分、模具的澆鑄系統(tǒng)和壓鑄工藝有關(guān)。

良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是性能的先行條件。在發(fā)生失效后，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)來避免缺陷而提高產(chǎn)品的性能。對骨架進(jìn)行CAE數(shù)值模擬分析，可縮短整個研發(fā)周期和費用，提高其綜合性能，但目前相關(guān)研究較少[3]，特別是骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置和骨架性能影響關(guān)系尚未明確。本文中采用多指標(biāo)正交試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，對骨架的力學(xué)性能進(jìn)行分析，旨在明確骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)和其性能之間的關(guān)系，為轉(zhuǎn)向盤骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有效設(shè)計方法和理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬正交試驗分析

1.1 骨架模型的建立

轉(zhuǎn)向盤通常有圓盤和非圓盤型，圓盤形式結(jié)構(gòu)簡單，工藝性能好和操控方便，有很好的控制感和路感，得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)向盤骨架可分為單輻、雙輻、三輻和四輻型，C、D級轎車常采用四輻設(shè)計。B11型轉(zhuǎn)向盤采用圓形四幅結(jié)構(gòu)，其主要由輪圈、輪輻、輪轂和花鍵套等部分組成。在UG三維軟件中建立骨架三維實體模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 正交試驗設(shè)計分析

1.2.1 試驗設(shè)計

由骨架結(jié)構(gòu)的組成可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能間的關(guān)系是一個多因素多指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計問題，為此采用有限元數(shù)值模擬正交試驗的方法對其進(jìn)行分析研究[4－7]。結(jié)果表明[1－3]，骨架斷裂等失效多發(fā)生在輪輻與輪圈和輪輻與輪轂連接處，對骨架性能主要影響因素有:輪輻寬L、輪輻高H、輪圈壁厚B1、輪輻壁厚B2、連接圓角半徑R1、R2和過渡圓角半徑R3(見圖1)。因此試驗采用7因素3水平正交表L18(37)安排試驗，見表1。分別建立不同因素水平組合的骨架三維有限元模型，按照Q/TF08—2004標(biāo)準(zhǔn)給定邊界約束條件和載荷，在NX Nastran環(huán)境下進(jìn)行800N的靜壓試驗和135N·m的靜扭強(qiáng)度試驗分析計算，結(jié)果見表2。

表1 骨架試驗因素水平表

表2 試驗方案和數(shù)值模擬結(jié)果

表2最后1列的綜合評估得分為該行的5個無量綱值的加權(quán)。

應(yīng)力指標(biāo)中的值越小越好，如第3號試驗為390MPa，排在第 1名，給 10分;第 17號試驗為521MPa，排在最后，給0分。對其它號試驗各指標(biāo)值的得分，視其與該指標(biāo)優(yōu)秀值的差異按比例打分，無量綱值轉(zhuǎn)換公式為

式中:Xi為試驗值;Yi為無量綱值。

因各項指標(biāo)重要程度有差異，故先對每項指標(biāo)的無量綱值乘以相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)得該項指標(biāo)的加權(quán)評分，再把每號試驗的所有指標(biāo)的加權(quán)評分相加即得綜合評分[4－6]。試驗中，位移和變形量指標(biāo)作為重要質(zhì)量指標(biāo)，取權(quán)數(shù)為2，而對應(yīng)力、扭曲應(yīng)力和質(zhì)量等指標(biāo)，則取權(quán)數(shù)為1，每號試驗的綜合評分見表2。

1.2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計分析軟件SPSS進(jìn)行處理。極差分析統(tǒng)計結(jié)果見表3。在正交設(shè)計中，如果沒有重復(fù)試驗又無空白項時，常取其中一因素離均差平方和最小項作為誤差估計，從表3可知，R2的極差值最小，它對整個試驗結(jié)果影響最小，因而把它作為誤差估計，用以檢驗其他因素作用的顯著性。剔除變量R2因素，用SPSS重新計算，得方差分析結(jié)果見表4。

表3 極差分析結(jié)果

1.2.3 試驗結(jié)果分析

從表3可知，各因素水平對結(jié)果影響的強(qiáng)弱順序是:H＞B1＞L＞B2＞R1＞R3＞R2。從表4可知，H對試驗結(jié)果有極顯著性影響(P=0.001＜0.01)，B1和L為顯著性影響(P＜0.05)，R1為骨架設(shè)計性能較主要影響因素，R3和R2對骨架性能影響較小。骨架性能參數(shù)的最優(yōu)組合為:H2L3B11B23R13R22R33，即:H 為 8mm、L為 21mm、B1為3mm、B2為 5mm、R1為 25mm、R2為 15mm和R3為25mm(見表2)。

表4 方差分析表

2 骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 骨架模型靜彎曲強(qiáng)度試驗分析

將上面正交試驗得出的最優(yōu)化模型，引入有限元仿真軟件Nastran中，轉(zhuǎn)向盤12點方向加載800N力，網(wǎng)格單元劃分:size 5mm、sag0.25，輪輻與輪圈連接彎角處增加控制點細(xì)化網(wǎng)格為1mm;賦予材質(zhì)為鎂合金 AM50A，其彈性模量為45GPa，泊松比為0.35，密度為1 770kg/m3;約束邊界條件:花鍵套上下面壓緊固定。劃分網(wǎng)格后運算求解得到靜力場應(yīng)力云圖和變形位移云圖分別如圖2和圖3所示。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)和減材

從圖2和圖3可知，最大應(yīng)力為389.7MPa，最大變形量為32.5mm，應(yīng)力集中在輪輻和輪圈連接處，以及輪轂底面邊肋圓角處。轉(zhuǎn)向盤優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)見圖4。其加大輪轂底面的圓角和邊肋厚度，來消除應(yīng)力集中。具體為將輪輻圓角半徑設(shè)為26mm，輪圈和輪輻連接處增設(shè)弧形加強(qiáng)筋，其壁厚最大為3.5mm，輪轂底面圓角半徑由原來5mm調(diào)整為10mm，同時將圖中的邊肋厚度由5mm調(diào)整為7mm。減少輪圈和輪輻非連接處的材料，并在輪圈槽內(nèi)間隔增設(shè)一定數(shù)量的加強(qiáng)筋來保證輪圈強(qiáng)度，從而整體上減少了骨架材料，達(dá)到結(jié)構(gòu)輕易化的目的。

2.3 靜力學(xué)和疲勞分析

對改進(jìn)后的模型重新進(jìn)行靜壓試驗和靜扭強(qiáng)度分析，求解得到相關(guān)云圖見圖5，對比結(jié)果見表5。

由表5可知，經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計后，靜壓強(qiáng)度分析中最大應(yīng)力降低22.7%，最大位移變形量降低了8.9%，骨架整體質(zhì)量減輕25g，且骨架外圈結(jié)構(gòu)的改變對靜扭強(qiáng)度分析的最大扭曲應(yīng)力和變形量幾乎沒有影響，通過優(yōu)化設(shè)計有效提高了骨架的抗變形和屈服能力。

表5 改進(jìn)前后性能對比

2.4 疲勞性能分析[8－9]

在對承受221MPa外力的骨架靜壓試驗分析的基礎(chǔ)上，對骨架的疲勞特性進(jìn)行深入研究。設(shè)定骨架材料AM50a的S-N疲勞曲線[10－11]，并引入疲勞強(qiáng)度縮減因子Kf，從而降低引起疲勞斷裂時對應(yīng)的N(循環(huán)次數(shù))，在綜合考慮實際試驗條件下，將疲勞強(qiáng)度縮減因子Kf設(shè)置為0.8。循環(huán)周期設(shè)為30 000次，完全交變應(yīng)力比率R=－1。求解得到骨架的生命圖解(疲勞壽命)如圖6所示。從圖6可知，破壞因子為0.03＜1，表示無疲勞失效發(fā)生，其骨架在30 000次交變應(yīng)力循環(huán)后，結(jié)構(gòu)消耗壽命比率為3%，說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)疲勞性能安全。

3 物理樣機(jī)性能試驗

根據(jù)上述改進(jìn)設(shè)計，開模壓鑄完成了骨架新樣品的試制。經(jīng)過國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Q/TF08—2004對樣品進(jìn)行性能檢測。共進(jìn)行靜彎曲強(qiáng)度試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、靜彎曲疲勞強(qiáng)度試驗，見圖7，每個試驗取3個樣品。

試驗要求和結(jié)果如表6所示。

表6 性能試驗要求與結(jié)果

4 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬正交試驗結(jié)果表明，各因素對試驗結(jié)果的重要次序為:H＞B1＞L＞B2＞R1＞R3＞R2。最佳設(shè)計參數(shù)為:H2L3B11B23R13R22R33。其中，H、B1和L參數(shù)的改變對骨架綜合性能有顯著性影響。

(2)通過數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化骨架結(jié)構(gòu)，可有效避免應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)性能缺陷。進(jìn)而在保證強(qiáng)度的前提下適當(dāng)減少部位材料，實現(xiàn)骨架結(jié)構(gòu)的輕量化。

(3)骨架實物經(jīng)靜壓強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗分析載荷下變形量符合要求，靜壓疲勞強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度試驗下花鍵及骨架無斷裂等損壞，驗證了數(shù)值模擬的結(jié)果和基于虛擬正交試驗的骨架優(yōu)化設(shè)計方法的可行性。

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