李文博，盛小濤，王冬艷，吳 進，姜偉健，王成勇

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.山東德泰機械制造集團有限公司，山東 泰安 271229）

0 引言

不同的消費者對汽車使用要求雖有區(qū)別，但對燃油經(jīng)濟性的要求基本一致。一般認(rèn)為當(dāng)整車質(zhì)量下降10%，燃油消耗會降低4.75%[1]，為達到此目的需要汽車設(shè)計人員綜合運用多種方法和新技術(shù)，持續(xù)對產(chǎn)品進行輕量化優(yōu)化設(shè)計，可以通過更改產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝來實現(xiàn)[2]。上述多個環(huán)節(jié)同步優(yōu)化過程中必然涉及多種設(shè)計方法、多種設(shè)計軟件和多種分析系統(tǒng)，需要針對具體產(chǎn)品研發(fā)一套綜合優(yōu)化設(shè)計方案?，F(xiàn)針對載貨汽車后懸架系統(tǒng)中板簧吊耳支架鑄改鍛輕量化過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料替換和有限元分析等環(huán)節(jié)，研究建立多目標(biāo)優(yōu)化方法。

該方法的可行性得益于計算機設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用[3]。產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計可以通過綜合運用不同軟件的優(yōu)勢，加速產(chǎn)品從設(shè)計到開發(fā)的實現(xiàn)[4]?；谏鲜鲅芯磕繕?biāo)，提出一種基于三維CAD系統(tǒng)、力學(xué)分析系統(tǒng)和體積成形有限元分析系統(tǒng)[5]的多系統(tǒng)協(xié)同綜合設(shè)計方案，用于解決實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化過程中的多種問題。

1 綜合設(shè)計方案

基于前期相關(guān)產(chǎn)品預(yù)研的經(jīng)驗，設(shè)計了圖1所示的綜合設(shè)計方案。根據(jù)產(chǎn)品理論服役條件和總成裝配結(jié)構(gòu)尺寸，先利用三維CAD系統(tǒng)建立符合要求的產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)模型，再根據(jù)整車道路試驗過程中所采集的各工況下的路譜數(shù)據(jù)，獲取產(chǎn)品在極限狀態(tài)下承受的最大載荷。依據(jù)安全規(guī)范，增加一定的安全裕度，設(shè)計產(chǎn)品的初步承載結(jié)構(gòu)，以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)利用力學(xué)分析系統(tǒng)對產(chǎn)品不同工況下的應(yīng)力峰值變化進行分析?；谄嚦休d件失效準(zhǔn)則，引入結(jié)構(gòu)安全系數(shù)用于判斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定型后，再使用體積成形有限元分析系統(tǒng)模擬相應(yīng)的成形過程，驗證成形工藝的合理性并預(yù)測鍛造過程中可能出現(xiàn)的工藝缺陷。

圖1 綜合設(shè)計方案

整體方案的實施過程中，如果靜力分析得到產(chǎn)品的安全系數(shù)小于1，則重新進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，重復(fù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)強度分析過程；當(dāng)安全系數(shù)大于1，則證明產(chǎn)品在瞬時的極限狀態(tài)下可以承受外力沖擊；當(dāng)極限狀態(tài)下安全系數(shù)大于1.2，則產(chǎn)品不會出現(xiàn)疲勞斷裂，結(jié)構(gòu)優(yōu)化迭代過程停止。在鍛造模擬分析過程中，其優(yōu)化循環(huán)原理與承載分析過程相似，即模擬分析過程中得出的結(jié)果存在缺陷時，返回鍛造工藝的制定過程，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，并最終排除鍛造過程中的各類缺陷。按照圖1所示方案，可以預(yù)測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和新工藝開發(fā)過程中的各種缺陷，逐步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，完善產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，為產(chǎn)品輕量化升級提供保證。

2 基于綜合設(shè)計方案的鑄改鍛實例

板簧吊耳支架是縱置鋼板彈簧懸架中的安全件，當(dāng)該產(chǎn)品出現(xiàn)失效時，會導(dǎo)致整車失效甚至影響駕乘人員的安全[6]。在汽車懸架系統(tǒng)輕量化項目中，吊耳支架輕量化是關(guān)鍵子項目之一。采用圖1所示綜合優(yōu)化方案對板簧吊耳支架進行鑄改鍛開發(fā)。板簧吊耳支架原始結(jié)構(gòu)如圖2所示，整體呈現(xiàn)較復(fù)雜的籠式外形，并采用了多種變厚直壁和非對稱加強筋的形式對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行加強，該產(chǎn)品無法采用鍛造工藝進行加工。

圖2 板簧吊耳支架

2.1 產(chǎn)品安全系數(shù)

支架的斷裂有多種形式，主要有：受力超出材料屈服強度時出現(xiàn)的脆斷、受力低于屈服強度時出現(xiàn)的疲勞斷裂[7]。產(chǎn)品優(yōu)化初期，需要避免產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)不合理造成的應(yīng)力集中和由此產(chǎn)生的脆性斷裂；在產(chǎn)品的進階優(yōu)化過程中，則要對應(yīng)力流進行一定的分散，使產(chǎn)品在承受各方向沖擊時，具備更高的安全系數(shù)。產(chǎn)品在各工況下的安全系數(shù)可以通過式（1）進行初步估算。

其中，S為產(chǎn)品的最小安全系數(shù)，σs為產(chǎn)品的屈服強度，max為最大等效應(yīng)力。如果S＜1，則在極限沖擊作用下，產(chǎn)品的最大等效應(yīng)力大于材料的屈服強度，產(chǎn)品會出現(xiàn)塑性變形和受剪截面減小，極限工況下產(chǎn)品出現(xiàn)斷裂失效。

2.2 產(chǎn)品服役工況分析

產(chǎn)品受力主要來自于3種工況：①當(dāng)車輛快速通過顛簸路面時，地面反饋產(chǎn)生的垂直沖擊載荷；②當(dāng)車輛緊急制動時，由于車身慣性產(chǎn)生的縱向沖擊力；③當(dāng)車輛快速轉(zhuǎn)彎時，由于車身慣性產(chǎn)生的橫向沖擊力[8]。產(chǎn)品匹配的車輛后軸的載荷通?！?0 kN，由此算出單個支架在靜態(tài)下承受的最大負(fù)荷≤4.4 kN，原校核過程取等級公路的路面激勵作為依據(jù)，計算支架承受的載荷，在產(chǎn)品遇到惡劣路況時，失效幾率大幅升高；因此為確保產(chǎn)品強度，收集惡劣工況下的路面激勵，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，垂直方向最大加速度為2 g（g=9.8 m/s2），制動時最大制動加速度約為1 g，橫向轉(zhuǎn)彎最大加速度為0.4 g。在此基礎(chǔ)上乘以一定的極限系數(shù)，該極限系數(shù)是對測得的車輛加速度增加的倍數(shù)，為經(jīng)驗取值，用于計算不同工況下產(chǎn)品的受力及安全裕度，建立分析用工況參數(shù)及模型時按表1方案執(zhí)行。

表1 支架各工況分析條件

2.3 分析模型建立

為了準(zhǔn)確模擬支架的受力，采用虛擬螺釘（用bolt指令建立）將支架定義為連接在車架腹面上，支架與車架間不存在相對運動，所以固定車架有6個自由度，然后根據(jù)不同工況，選擇主要受力面。由于產(chǎn)品間配合關(guān)系固定，產(chǎn)品在工藝更改前后的受力模型不會發(fā)生變化，可按近似方式進行受力模型的建立。圖3所示為整車在承受側(cè)向沖擊時支架的分析模型，轉(zhuǎn)向過程中，車身在離心力作用下，從Y方向向車架外側(cè)擠壓支架，分析過程的主要受力面按此規(guī)則選定；載荷先根據(jù)上述計算的加速度值結(jié)合表1內(nèi)的極限系數(shù)，計算整車在實際工況下各向的極限加速度，進而計算支架在不同工況下所受的沖擊。在該理想狀態(tài)下，可以得出支架的受力及失效趨勢，一般情況下車輛行駛中車身加速度不會超出該范圍。

圖3 支架受力CAE分析模型

2.4 產(chǎn)品有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了得到支架在極限工況下的最大等效應(yīng)力，采用力學(xué)分析系統(tǒng)對支架進行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果對支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。先對產(chǎn)品原結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 最大等效應(yīng)力云圖

圖4（a）所示為支架在承受垂直方向極限沖擊載荷時的應(yīng)力云圖，在下方加強筋的根部出現(xiàn)最大應(yīng)力值422 MPa；圖4（b）所示為橫向沖擊工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下加強筋與耳板的結(jié)合部，達到458 MPa。原支架材料為QT500-7，最大屈服強度為360 MPa，根據(jù)式（1）計算，產(chǎn)品安全系數(shù)S＜1?？梢圆捎猛?fù)鋬?yōu)化的方式對支架進行優(yōu)化[9]，但從拓?fù)鋬?yōu)化后的支架強度分析結(jié)果可知，優(yōu)化結(jié)果無法達成輕量化設(shè)計的目標(biāo)，因此結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征、鑄造工藝、拓?fù)鋬?yōu)化及圖1中研究方案，對產(chǎn)品輕量化設(shè)計的方向變?yōu)殍T改鍛，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

優(yōu)化后相應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)力分析云圖如圖6所示。在極限狀態(tài)下，鍛造支架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在加強筋的下部，最大應(yīng)力值620 MPa，即材料由QT500-7調(diào)整為40Cr且工藝改為鍛造后，產(chǎn)品的安全系數(shù)提高至S=1.26，達到了預(yù)期強度目標(biāo)。結(jié)構(gòu)的更改使支架對橫向沖擊變得不再敏感，并且制動沖擊載荷相對較小。優(yōu)化過程中，支架的質(zhì)量減輕了42%，達到了產(chǎn)品鑄改鍛的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。

圖5 采用鍛造工藝的產(chǎn)品外形

圖6 產(chǎn)品最大等效應(yīng)力

2.5 產(chǎn)品的制造工藝優(yōu)化

為了保證支架采用鍛造工藝順利成形，同時保證實現(xiàn)成本控制目標(biāo)，需要對產(chǎn)品的成形質(zhì)量、成形的難易程度及可能需要的生產(chǎn)設(shè)備及加工時間進行綜合分析[10]。提高金屬的填充率、避免缺陷的出現(xiàn)、降低模具損傷是工藝優(yōu)化的主要目的[11]。

2.5.1 產(chǎn)品材料選擇

材料的選擇考慮以下方面：支架局部能承載620 MPa以上應(yīng)力，并在該應(yīng)力作用下保證一定的安全系數(shù)，常用鋼材40Cr可滿足該應(yīng)力要求，其屈服強度為785 MPa，抗拉強度為980 MPa。40Cr是載貨汽車常用的結(jié)構(gòu)件材料之一，采購及成本易控制；熱處理硬度為32～36 HRC，具有良好的綜合力學(xué)性能、低溫沖擊韌性和較低的缺口敏感性。該鋼材的淬透性良好，水淬時可淬透到φ28～φ60 mm，油淬時可淬透到φ15～φ40 mm。該材料具備較好的耐磨性且適合進行表面硬化處理，滿足該產(chǎn)品的服役要求。

原支架材料和重新選擇工藝后的加工材料參數(shù)如表2所示，新選用材料的屈服強度提高至原材料的2倍以上。

表2 材料強度參數(shù)

2.5.2 成形工藝分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中已經(jīng)考慮了產(chǎn)品的分型、加強筋等結(jié)構(gòu)的設(shè)置，結(jié)合成本控制要求，保留了支架的原固定孔，這使產(chǎn)品在成形過程中需要向固定孔方向產(chǎn)生較大的變形量，以形成支架的安裝基座部分。產(chǎn)品基座外形不對稱、形狀復(fù)雜、成形難度大[12]；如果采用單道次成形，型腔有可能出現(xiàn)填充不足的問題，需要采用體積有限元分析系統(tǒng)確定成形效果[13]。共制定2種成形工藝方案，即單道次成形和兩道次成形，分別進行塑性變形過程模擬仿真，以對比分析2種方案的優(yōu)劣。

2.5.3 鍛造過程仿真

圖7所示為單道次成形間隙圖，經(jīng)2次參數(shù)調(diào)整后，在銷軸部分仍然難以填充飽滿。雖然單道次成形過程中最終成形時所需的壓力和時間均可滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)節(jié)拍要求，但由于金屬在軸向的流動不足，導(dǎo)致型腔無法完全充滿，該方案無法實現(xiàn)產(chǎn)品的最終成形。

圖7 單道次成形間隙

兩道次成形模擬：結(jié)合單道次成形模擬結(jié)果，增加了產(chǎn)品的預(yù)鍛過程，首先對銷軸部分進行縮徑鍛造拉長，同時對支架的安裝部分進行擴徑聚料。經(jīng)過模擬，最終成形效果如圖8所示，第一道次和第二道次的成形時間控制在4.5 s以內(nèi)，符合生產(chǎn)節(jié)拍需要；產(chǎn)品未出現(xiàn)折疊和填充不足等問題，產(chǎn)品加工所需設(shè)備的壓力也得到了有效改善，由圖9可知，成形所需的壓力分別降低至5 000 kN和16 000 kN以下，可有效降低加工成本。

圖8 第二道次成形間隙

圖9 兩道次成形行程-載荷

2.6 產(chǎn)品試制及推廣使用

為了確保產(chǎn)品符合使用要求，按照單件試制→小批量試驗→批量投放的過程對支架進行試生產(chǎn)，安裝情況如圖10所示，安裝狀態(tài)良好，且潤滑結(jié)構(gòu)部分的密封較優(yōu)化前更可靠。根據(jù)檢驗、道路試驗及實際載貨，產(chǎn)品的耐沖擊和耐疲勞性能均滿足要求。結(jié)合實際使用情況，通過鑄改鍛工藝優(yōu)化的成功應(yīng)用，達到了減輕質(zhì)量、提高強度、降低制造成本、改善潤滑環(huán)境等目標(biāo)，目前該輕量化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品逐步推廣應(yīng)用到相關(guān)汽車懸架系統(tǒng)中。

3 結(jié)束語

圖10 產(chǎn)品應(yīng)用情況

（1）通過多系統(tǒng)的綜合運用，搭建了基于多系統(tǒng)的產(chǎn)品鑄改鍛開發(fā)平臺，在開始進行產(chǎn)品設(shè)計時考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、成形工藝、生產(chǎn)節(jié)拍等因素，提高了成形產(chǎn)品的強度、改善了成形工藝性及降低了制造成本。

（2）將產(chǎn)品的安全系數(shù)和應(yīng)力趨勢作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化依據(jù)，以相關(guān)參數(shù)作為工藝優(yōu)化的依據(jù)，提高了產(chǎn)品強度，降低了加工設(shè)備所需的壓力。

（3）所制定的綜合研究方案在鑄改鍛產(chǎn)品開發(fā)過程中得到有效驗證，滿足了輕量化設(shè)計的多種指標(biāo)要求，該研究方案可以為類似產(chǎn)品的輕量化設(shè)計提供參考。