張俊紅

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

電動方程式賽車作為未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向，對其進(jìn)行輕量化設(shè)計能有效降低能源需求[1]。電動方程式賽車的輕量化即在保證賽車整體安全性能與使用強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與改變材質(zhì)等方法來降低賽車的整體質(zhì)量[2-3]。具體而言，首先在零件受到較大應(yīng)力作用時不會出現(xiàn)危險截面，而導(dǎo)致材料斷裂或彎曲失效；其次，需要滿足材料疲勞需求，即在一定壽命期內(nèi)的反復(fù)作用下不會出現(xiàn)裂紋[4-9]。

目前，國內(nèi)外研究者根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)的制造與加工進(jìn)行了深入的研究。例如文獻(xiàn)[10]中分析了轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命，并通過提高表面質(zhì)量與擴(kuò)大過度圓角來提升轉(zhuǎn)向機(jī)的使用壽命。文獻(xiàn)[11]使用有限元法對轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行了靜力分析，證明了有限元分析法的可行性與有效性。文獻(xiàn)[12]通過分析不平路面條件、滿載側(cè)滑條件與緊急制動條件下的轉(zhuǎn)向節(jié)使用狀況，指出轉(zhuǎn)向節(jié)臂是最容易受損的地方。文獻(xiàn)[13]通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)的第一階段模態(tài)頻率，并使用折衷規(guī)劃法對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，表明優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)具有更輕的質(zhì)量、更高的模態(tài)頻率以及更強(qiáng)的剛度。

文中根據(jù)電動方程式賽車的實際開發(fā)需求，提出了一種基于ANSYS 軟件的轉(zhuǎn)向節(jié)分析與設(shè)計軟件。使用該軟件首先分析轉(zhuǎn)向節(jié)在靜載狀態(tài)下處于各種工況模式下的受力情況，并確定轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化目標(biāo)；然后使用有限元分析法建立轉(zhuǎn)向節(jié)模型，確定其優(yōu)化空間；最后通過迭代優(yōu)化得到轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化模型，并使用有限元分析法對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行受力分析，保證轉(zhuǎn)向節(jié)的穩(wěn)定性。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)自動分析軟件設(shè)計

1.1 軟件設(shè)計流程

有限元分析[14-19]使用數(shù)學(xué)近似的方法對物理模型進(jìn)行模擬，該方法使用有限數(shù)量與相互作用的簡單單元來逼近真實系統(tǒng)。使用有限元分析軟件可以方便、快速地分析轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度與力學(xué)性能。

文中使用ANSYS 軟件構(gòu)建轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元模型。該軟件被廣泛應(yīng)用于航空、汽車與生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具有良好的分析功能與一體化的處理技術(shù)。使用該軟件對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行建模，主要包含創(chuàng)建有限元模型、劃分網(wǎng)格與查看分析結(jié)果3 個步驟。文中為了提升有限元分析的效率，對ANSYS 軟件進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計了一種針對轉(zhuǎn)向節(jié)建模的有限元分析軟件，去除了一些重復(fù)性工作，簡化了建模過程。

如圖1 所示，為該文使用C#對ANSYS 軟件進(jìn)行二次開發(fā)的流程圖。從圖中可以看出，該文二次開發(fā)的系統(tǒng)將有限元分析的所有參數(shù)均集成在軟件界面中，并在界面顯示分析得到的應(yīng)力云圖與位移圖結(jié)果。該二次開發(fā)過程中，最重要的步驟即生成完整的APDL 文件，該文件包括了有限元分析的前處理、施載、約束處理與后處理等流程。圖2 所示為APDL 文件的生成代碼，通過使用該代碼，程序?qū)⒃谙鄳?yīng)的路徑自動生成后綴名為“.mac”的APDL 文件。

圖1 二次開發(fā)流程圖

圖2 APDL文件生成代碼

在生成APDL 文件后，程序通過連接ANSYS 軟件接口來調(diào)用ANSYS 軟件。在分析過程中，ANSYS軟件通過自動導(dǎo)入APDL 文件進(jìn)行批量處理，并直接將分析結(jié)果保存為JPG 圖片，而界面處理程序?qū)⑻幚砗蟮慕Y(jié)果展示在界面上。圖3 所示為該文使用C#編寫的ANSYS 的軟件接口調(diào)用程序。

圖3 ANSYS軟件接口調(diào)用程序

1.2 軟件界面設(shè)計

為方便操作者進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元建模與分析，該部分搭建了有限元分析界面。該文通過分析大量轉(zhuǎn)向節(jié)模型，得到影響轉(zhuǎn)向節(jié)性能的參數(shù)，并對這些參數(shù)進(jìn)行分類，按照其類別統(tǒng)一搭建在軟件界面上。圖4 所示為該文設(shè)計的轉(zhuǎn)向節(jié)建模軟件的輸入界面，在該界面上用戶可根據(jù)實際需求來確定轉(zhuǎn)向節(jié)模型的參數(shù)與大小。

圖4 參數(shù)設(shè)置界面

由于轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，人工使用六面體來劃分網(wǎng)格較為繁瑣。文中直接調(diào)用ANSYS 軟件的自動劃分網(wǎng)格功能對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過調(diào)整基本單元的邊長來調(diào)節(jié)網(wǎng)格劃分的精度，在壓面設(shè)置劃分網(wǎng)格的單元邊長，即可對轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行劃分。該文對某轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型共包含207 141 個基本單元和304 288 個節(jié)點。同時，網(wǎng)絡(luò)劃分的質(zhì)量可通過重復(fù)性檢查與單元質(zhì)量檢查來確定。表1 所示為該轉(zhuǎn)向節(jié)模型的網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果，表中單元質(zhì)量、扭曲因子與偏斜系數(shù)的值取0 表示最優(yōu)，取1 表示最差，縱橫比取1 表示最優(yōu)，值越大表示結(jié)果越差。從中可以看出，該文所建立的轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果較為理想。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果

同時，該文也設(shè)計了模型分析界面來分析轉(zhuǎn)向節(jié)模型在不同工況下的模型靜應(yīng)力，從而確定該轉(zhuǎn)向節(jié)模型是否存在優(yōu)化空間。在該界面上，用戶可以看到轉(zhuǎn)向節(jié)模型的有限元模型、應(yīng)力云圖、安全系數(shù)圖與應(yīng)變云圖。通過文中提出的轉(zhuǎn)向節(jié)分析與設(shè)計軟件，可以清晰地得到轉(zhuǎn)向節(jié)模型的應(yīng)力云圖、安全系數(shù)圖與應(yīng)變云圖分析結(jié)果。

2 案例分析

為驗證文中所提出的轉(zhuǎn)向節(jié)分析與設(shè)計軟件的有效性，該部分使用該軟件分析某轉(zhuǎn)向節(jié)，并根據(jù)其性能設(shè)計優(yōu)化目標(biāo)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)模型的優(yōu)化，最后對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行測試分析。

文中結(jié)合國內(nèi)外資料提供的轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量，確定了表2 所示的優(yōu)化目標(biāo)，文中使用的轉(zhuǎn)向節(jié)的初始質(zhì)量為0.89 kg。為實現(xiàn)輕量化設(shè)計，相對于表2 中的優(yōu)化目標(biāo)至少需要減重55%。

表2 轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化目標(biāo)

該文使用轉(zhuǎn)向節(jié)分析與設(shè)計軟件中的形狀優(yōu)化模塊對該轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行形狀優(yōu)化，并設(shè)置目標(biāo)減少量為55%。優(yōu)化后的結(jié)果如圖5所示，圖5（a）與圖5（b）中深色部分表示可以去除的結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖5（a）與圖5（b）的優(yōu)化結(jié)果，文中分別對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行迭代優(yōu)化，即對輪轂軸承與制動卡鉗安裝座進(jìn)行Y 方向優(yōu)化，結(jié)果如圖5（c）與圖5（d）所示。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化結(jié)果

為了驗證所得到的優(yōu)化結(jié)果是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，文中分析了在側(cè)向沖擊工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的受力情況。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)在側(cè)向沖擊工況下的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖與安全系數(shù)圖如圖6 所示。從圖6 可以看出，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)輪轂軸承安裝處，值為310.49 Mpa；優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型最小安全系數(shù)出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)輪轂軸承安裝處，值為1.62；優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型最大形變量出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向節(jié)最下端位置，值為0.46 mm。結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型在側(cè)向沖擊工況下的最大應(yīng)力要小于7075 鋁的屈服強(qiáng)度，其應(yīng)力與應(yīng)變力達(dá)到了目標(biāo)值，符合優(yōu)化目標(biāo)。

圖6 側(cè)向沖擊工況下的靜應(yīng)力分析結(jié)果

為驗證所提出優(yōu)化結(jié)果的有效性，文中對比分析了優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)模型在緊急制動工況下的峰值應(yīng)力與預(yù)期峰值應(yīng)力，其結(jié)果如表3 所示。從表中可以看出，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型的峰值應(yīng)力與預(yù)期峰值應(yīng)力的誤差均在10%以內(nèi)，表明優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型能滿足實際工程需要。因此，認(rèn)為該模型與實際轉(zhuǎn)向節(jié)模型的特性基本一致。

表3 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)向節(jié)模型應(yīng)力峰值對比

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車懸架中承受載重的重要部件，其零件的破損與疲勞將影響汽車的行駛安全。因此，文中測試了優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型在疲勞試驗架上的疲勞壽命。為確保轉(zhuǎn)向節(jié)在規(guī)定的循環(huán)測試下不出現(xiàn)疲勞破損，文中排除了轉(zhuǎn)向節(jié)加工工藝的缺陷，并在每次試驗中至少選擇3 個轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行測試，結(jié)果如表4 所示。從表中可以看出，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)在規(guī)定次數(shù)的循環(huán)測試中均未出現(xiàn)裂紋，表明所提出的基于有限元分析的車輛轉(zhuǎn)向節(jié)分析與設(shè)計軟件能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計。

表4 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞測試結(jié)果

3 結(jié)束語

文中提出了一種基于有限元分析的車輛轉(zhuǎn)向節(jié)分析與設(shè)計軟件。通過二次開發(fā)ANSYS 軟件，建立了轉(zhuǎn)向節(jié)在緊急制動工況、轉(zhuǎn)彎沖擊工況與側(cè)向沖擊工況3 種典型極端行駛環(huán)境下的受力分析模型，初步確定了轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化目標(biāo)，通過分析有限元模型來確定轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化空間，最后使用拓?fù)鋬?yōu)化與迭代優(yōu)化的方式實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。對優(yōu)化后輕量化的轉(zhuǎn)向節(jié)在典型極端行駛環(huán)境下的分析結(jié)果表明，所提方法不僅能有效減少轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量，且能增加轉(zhuǎn)向節(jié)的剛度與疲勞壽命，在保證賽車安全性的同時能增加操作穩(wěn)定性與動力性。同時，使用所提出的車輛轉(zhuǎn)向節(jié)分析與設(shè)計軟件可以快速、自動的設(shè)計與實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)模型的分析和優(yōu)化。