劉雨婷 常 磊

（重慶機電職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 402760）

1 研究意義

眾所周知，國家良性發(fā)展應(yīng)建立在節(jié)能減排的基礎(chǔ)上，使得交通運輸、公路管理等有關(guān)部門在全國范圍內(nèi)對超載車輛的查處日益嚴(yán)格。同時，政府出臺了《道路機動 車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》等一系列政策公告及法例法規(guī)，不斷規(guī)范和完善管理制度，大力倡導(dǎo)節(jié)能減排[1]。

對于汽車，人們熟知的降低油耗方法主要有：改善發(fā)動機性能，提高燃燒效率；提升汽車的空氣動力學(xué)性能，降低滾動阻力；提高動力傳動效率，減小功或動力傳遞損失；開發(fā)新能源汽車；減輕汽車質(zhì)量，進(jìn)行汽車的輕量化設(shè)計。每一個方法在不斷進(jìn)步發(fā)展中更新并應(yīng)用，特別是輕量化設(shè)計能夠直接實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。這些方法促使汽車行業(yè)在不斷做出改變，特別是道路運輸車輛中的重型汽車，開始呈現(xiàn)出輕量化趨勢。同時，迫于市場激烈競爭的壓力、所需原材料價格上漲的壓力，制造業(yè)不得不通過降低整車成本與降低整車質(zhì)量的方式降低車輛使用油耗，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計輕量化。這是汽車企業(yè)自身發(fā)展的需要和應(yīng)盡的社會責(zé)任[2]。

據(jù)了解，全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽專門設(shè)立了產(chǎn)品輕量化設(shè)計，對機械零部件做結(jié)構(gòu)受力分析，對比設(shè)計前后的質(zhì)量變化，評選優(yōu)秀作品，并為此環(huán)節(jié)單獨頒獎。同時，每兩年一屆的全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力大賽也設(shè)計了輕量化比拼環(huán)節(jié)，如針對工業(yè)機器人機械臂的連接部位、舉升部位等進(jìn)行輕量化設(shè)計，從材料、結(jié)構(gòu)等出發(fā)，采用先進(jìn)分析軟件做出優(yōu)化。這對學(xué)生的軟件應(yīng)用、力學(xué)等基礎(chǔ)知識的提高意義重大，也能響應(yīng)國家提出的節(jié)能減排要求。

2 研究背景

輕量化主要體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)最優(yōu)化、材質(zhì)輕量化及力學(xué)性能最優(yōu)化[3]。比如，常見的胞狀構(gòu)造、三明治結(jié)構(gòu)及管結(jié)構(gòu)等，就是去除了承受載荷最小的部分，從而達(dá)到輕量化要求，節(jié)約自然資源[3]。通過適量的材料添加，使局部的應(yīng)力能夠分布均勻，從而通過調(diào)整提升其力學(xué)性能，如樹杈間的圓角。人們經(jīng)過長時間對自然界的觀察學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，在不降低材料性能的前提下，通過優(yōu)化重塑結(jié)構(gòu)、應(yīng)用先進(jìn)的制造工藝及輕質(zhì)的復(fù)合材料，同時兼顧性能、質(zhì)量及成本3大因素，以達(dá)到最優(yōu)輕量化目的，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[4]，如圖1所示。

圖1 輕量化節(jié)能技術(shù)

目前，現(xiàn)代復(fù)合材料是車輛輕量化研究的熱點之一。然而，這些新型材料應(yīng)用在汽車中時，主要承載部件上的成本較高[5]。所以，短時間內(nèi)實現(xiàn)輕量化設(shè)計很難在復(fù)合型輕量化材料的選擇上進(jìn)行普及。制造車輛的傳統(tǒng)材料——鋼材，具備強度高、成本低以及工藝成熟等特點，是最適于回收循環(huán)利用的材料。因此，采取改變傳統(tǒng)材料的鋼架結(jié)構(gòu)的方式以實現(xiàn)輕量化設(shè)計變得尤為重要[5]。

早在1994年，國際鋼鐵 協(xié)會成立了名為ULSAB的項目組。該項目組的主要成員來自全世界18個發(fā)展國家的35個著名鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)[6]。該項目組的目的是在研究車輛制造過程中，在保持材料性能不變和不提高成本的情況下，有效降低鋼制車身質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，全球認(rèn)可并通用的減輕車架質(zhì)量的方法大致分為兩種。一是從材料選擇上改變，即采用高強度輕質(zhì)材料替代強度相對較低的重質(zhì)材料。二是從設(shè)計結(jié)構(gòu)上改變，即對車架總結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高材料有效利用率。經(jīng)過實驗研究，ULSAB項目成果顯著，試制的車身總質(zhì)量與對比車的平均值相比降低了25%，同時車身材料扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，彎曲剛度提高52%，滿足碰撞安全性要求，同時成本比對比車身造價降低15%[7]。這一項目的成功，對輕量化設(shè)計發(fā)展具有里程碑式的重要意義。

3 實例分析

2019年，輕量化設(shè)計列入全國大學(xué)生競賽排行榜的先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽。在2020年第13屆全國賽中，賽題要求對山地自行車座位下端的某一結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行輕量化設(shè)計，如圖2所示。

圖2 山地自行車結(jié)構(gòu)部件及拓?fù)鋬?yōu)化后的幾何重構(gòu)模型

題目參數(shù)如表1所示，材料為ABS樹脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，熱塑性高分子材料），分子式為（C8H8·C4H6·C3H3N）x。要求部件根據(jù)實際的受載情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕{(diào)整，主要的載荷來自減震器端和車架連接端，中間的孔為安裝孔，使用約束來表征安裝孔的固定情況。

表1 零部件載荷條件

根據(jù)給定的原始3D模型文件，在滿足實際需要的剛度和性能要求的情況下，盡可能減輕質(zhì)量，節(jié)省材料。傳統(tǒng)的產(chǎn)品受限于設(shè)計生產(chǎn)方式，并不能做到效能的最優(yōu)?，F(xiàn)在通過軟件進(jìn)行Altair Inspire拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)合增材制造的方式，獲得最合理的材料分布，以最少的材料實現(xiàn)最佳的性能。

幾個月的備戰(zhàn)訓(xùn)練，經(jīng)過多次試驗方案調(diào)整數(shù)據(jù)，對給定的3D模型，利用統(tǒng)一規(guī)定的ABS材料打印出來。為了更好地滿足題目要求，設(shè)計出輕量化產(chǎn)品，需要結(jié)合材料力學(xué)、理論力學(xué)等教材中知識進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。第一，當(dāng)出現(xiàn)孔分布結(jié)構(gòu)時，通過減小孔徑或適當(dāng)增加孔數(shù)降低應(yīng)力集中，如圖2中1位所示。研究發(fā)現(xiàn)，主應(yīng)力分量沿圓周方向起作用，應(yīng)力流的方向改變則引起應(yīng)力集中。如果縮小孔間距，則應(yīng)力通量的方向改變將更少。第二，將“工”字型設(shè)計這一材料力學(xué)中的經(jīng)典結(jié)構(gòu)運用在輕量化設(shè)計中，具體變化為兩側(cè)羽翼的壁厚向內(nèi)變薄，如圖2中2位所示?！肮ぁ弊中驮O(shè)計特點是翼緣窄、腹板薄、質(zhì)量輕，既能增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，也能減少材料厚度。第三，在非受力點位采取鏤空結(jié)構(gòu)，達(dá)到不破壞支撐強度并減輕零件質(zhì)量的作用，如圖2中3位所示。第四，幾何形狀突變處采用圓角結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少應(yīng)力集中，防止裂紋產(chǎn)生以增加材料性能，如圖2中4位所示。經(jīng)過以上結(jié)構(gòu)變化的設(shè)計，重新對新模型進(jìn)行初始強度分析、拓?fù)鋬?yōu)化、幾何重構(gòu)以及模型輸出等。

軟件具體操作步驟如下：

（1）使用擬合工具PolyNURBS對設(shè)計優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行自動擬合；

（2）通過拖拽控制點的方式調(diào)整自動擬合的優(yōu)化結(jié)果，使其與非設(shè)計空間相交；

（3）使用布爾運算工具對優(yōu)化重構(gòu)結(jié)果和非設(shè)計空間進(jìn)行幾何相交，形成單一的實體三維模型；

（4）使用圓角工具處理重構(gòu)結(jié)果與非設(shè)計空間之間的銜接，獲得最終的輕量化設(shè)計結(jié)果。

再進(jìn)行強度校驗，利用動態(tài)層厚、子模型局部填充等功能，提高打印模型的綜合性能，最終完成報告。

山地自行車結(jié)構(gòu)部件在優(yōu)化前的質(zhì)量為65.770 g（材料 ABS），通過輕量化設(shè)計后的質(zhì)量為28.406 g。部件初始的強度分析結(jié)果，最大米塞斯等效應(yīng)力10.91 MPa，最大位移0.702 1 mm，最小安全系數(shù)4.1。經(jīng)設(shè)計研究后對比數(shù)據(jù)，輕量化設(shè)計后的部件強度校核結(jié)果，最大米塞斯等效應(yīng)力17.81 MPa，最大位移1.524 0 mm，最小安全系數(shù)2.1。對山地自行車結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行輕量化設(shè)計實現(xiàn)了43.18%的減重，山地自行車結(jié)構(gòu)部件的強度不超過材料的屈服應(yīng)力，滿足實際的強度需求。

4 結(jié)語

經(jīng)過方案設(shè)計，設(shè)計人員對輕量化設(shè)計的重要性有了更深入了解，學(xué)習(xí)了軟件設(shè)計方法，增加了技能水平提升。輕量化設(shè)計不僅是減少質(zhì)量，更重要的是使設(shè)計最優(yōu)化、更合理化，有利于實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。