摘要：作為車輛底盤核心部件的汽車驅(qū)動橋殼，其在整車總重量中占比較大，因此，對其進(jìn)行輕量化的研究具有重大意義。以DP580雙相鋼橋殼為研究對象，對橋殼進(jìn)行綜合減薄及形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是在保證橋殼強(qiáng)度、剛度及疲勞性前提下，實(shí)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)最佳優(yōu)化，降低零件重量。研究目標(biāo)是確保零件的減重效果能夠達(dá)到1939%。

關(guān)鍵詞：橋殼；性能分析；輕量化；形狀優(yōu)化

中圖分類號：U463 收稿日期：2024-04-17

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407025

1 前言

汽車輕量化成為當(dāng)今世界各汽車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)之一。目前，為了實(shí)現(xiàn)輕量化，主要采取三種策略：使用創(chuàng)新的輕質(zhì)材料、采納前沿的成型技術(shù)以及對機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化。其中，以高強(qiáng)度鋼為主的結(jié)構(gòu)輕量化是最重要的發(fā)展方向之一，它可以顯著增加車身質(zhì)量從而減小油耗。在汽車配件產(chǎn)業(yè)中，輕量化結(jié)構(gòu)被視為降低重量的核心策略，因此受到了眾多汽車配件公司的高度關(guān)注[3]。

使用DP580雙相鋼這種高強(qiáng)度的鋼材可以明顯增強(qiáng)橋殼的剛度，并在特定的工作條件下增強(qiáng)構(gòu)件的抗變形性能；采用普通強(qiáng)度鋼或高強(qiáng)合金鋼做橋面板的橋殼承載能力均能滿足使用要求。此外，使用雙相鋼作為橋梁的外殼材料能有效地增強(qiáng)構(gòu)件的抗疲勞性能。因此，對于重載交通的公路橋梁工程而言，需要選擇合適的鋼結(jié)構(gòu)作為主要支撐部件。隨著其剛度和疲勞特性的持續(xù)增強(qiáng)，為部件的輕量化提供了穩(wěn)固的支撐。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對橋殼的受力特點(diǎn)以及相關(guān)理論進(jìn)行了大量深入研究。在這樣的背景下，選擇了結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)策略，并從形狀優(yōu)化的視角出發(fā)，旨在減輕橋殼的重量，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計(jì)。在分析了現(xiàn)有研究成果后，提出一種新的方法進(jìn)行橋殼造型設(shè)計(jì)并對其有限元建模與仿真計(jì)算。為了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先對橋殼進(jìn)行了整體減厚處理。在此基礎(chǔ)上對橋殼進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最終獲得橋殼最佳設(shè)計(jì)方案。在三維模型的初步構(gòu)建階段，首先構(gòu)建了汽車殼體模型，隨后逐步將汽車殼體整體調(diào)整至6 mm和5 mm，以探討橋殼減厚的性能分析。

2 不同壁厚的橋殼性能分析

21 6 mm壁厚的橋殼性能

為了證明優(yōu)化橋殼結(jié)構(gòu)的重要性，本研究首先將雙相鋼DP580橋殼的厚度減少到6 mm，并進(jìn)行了相關(guān)的靜態(tài)分析和疲勞壽命評估。在此基礎(chǔ)上對原設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步改進(jìn)并做相應(yīng)靜載試驗(yàn)。圖1展示了在橋殼最大牽引力和最大垂向力條件下的強(qiáng)度分析，以及剛度和疲勞壽命的計(jì)算數(shù)據(jù)。從圖1中，可以清晰地觀察到橋殼的最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了28565 MPa的水平，其疲勞極限也超過了設(shè)計(jì)要求。在43100 MPa的條件下，高達(dá)雙相鋼DP580的材料顯示出較低的屈服強(qiáng)度，隨著跨度增大，其極限承載力也相應(yīng)提高。當(dāng)橋殼的壁厚降至6 mm時，在最大垂直力的影響下，最大的位移可以達(dá)到大約226 mm。當(dāng)軸荷達(dá)到最大值時，每米的輪距會有147 mm的變化，這一結(jié)果與國家關(guān)于剛度的標(biāo)準(zhǔn)完全吻合。同時，隨著軸載增加，車軸對橋梁結(jié)構(gòu)的作用力增大，導(dǎo)致梁體產(chǎn)生較大變形，從而降低了車輛行駛安全性和舒適性。按照《汽車驅(qū)動橋臺架實(shí)驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)》的要求，橋殼的最短疲勞壽命僅為95萬次循環(huán)，這與50萬次循環(huán)的最低疲勞壽命相吻合。因此，這項(xiàng)研究決定采用進(jìn)一步的減薄設(shè)計(jì)方案。

22 5 mm壁厚的橋殼性能

對雙相鋼DP580的橋殼厚度降低到5 mm進(jìn)行了詳細(xì)的靜態(tài)分析和疲勞壽命的評估。在此基礎(chǔ)上，通過改變不同的載荷大小、加載方向等參數(shù)對橋殼進(jìn)行有限元計(jì)算分析并將計(jì)算結(jié)果繪制成曲線圖。圖2展示了在最大牽引力和最大垂向力的影響下，橋殼的強(qiáng)度、剛度以及疲勞壽命的詳細(xì)分析。在這兩個載荷工況中，由于材料的不均勻性以及結(jié)構(gòu)尺寸等因素造成的影響，導(dǎo)致橋殼出現(xiàn)不同程度上的破壞現(xiàn)象，從而使得其使用壽命降低甚至失效。

從圖2中，可以觀察到橋殼的最大應(yīng)力高達(dá)30058 MPa，而雙相鋼DP580的屈服強(qiáng)度為431 MPa甚至更低；隨著載荷增加，橋殼的撓度逐漸增大，而其彎曲應(yīng)變則不斷降低，最終導(dǎo)致橋殼發(fā)生屈曲破壞。當(dāng)橋殼的壁厚降至5 mm時，在最大垂直力的影響下，最大的位移可以接近235 mm。由于該型車軸采用高強(qiáng)度鋼板焊接而成，因此其壁厚比普通車輪小很多。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)達(dá)到滿載軸荷的狀態(tài)時，輪距每米的變形為153 mm，這并不滿足國家的剛度要求。對于5 mm的壁厚橋殼，其最短的疲勞使用壽命僅為474萬周期，這一數(shù)值甚至低于預(yù)期的50萬的最短疲勞壽命。

通過有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，對于本文研究對象，輕量化設(shè)計(jì)后仍然有較大應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。根據(jù)這些觀察數(shù)據(jù)，可以推斷，在過度減重或結(jié)構(gòu)優(yōu)化過于劇烈的場合下，部件的疲勞表現(xiàn)可能并不完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。

3 汽車橋殼零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

形狀優(yōu)化涉及的算法種類繁多，在進(jìn)行模型形狀優(yōu)化的過程中，通常會將模型分為設(shè)計(jì)區(qū)和排除區(qū)兩大部分[4]。本文提出了一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析并結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)空間形狀優(yōu)化的方法。該設(shè)計(jì)區(qū)域的目標(biāo)是通過優(yōu)化運(yùn)動網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模型來確定最優(yōu)的空間布局，同時確保在不影響總體組裝尺寸和生產(chǎn)工藝需求的前提下，剔除區(qū)域得以保留[3]。

本文主要針對某款汽車前懸架橋殼體結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行拓?fù)浞治?、建模以及有限元模擬仿真等工作。對于這項(xiàng)研究中的橋殼部分，需要排除以下未被優(yōu)化的區(qū)域，即板簧座、車輪的支撐面、主減速殼的接觸盤面以及半軸套管與橋殼內(nèi)壁面的過盈配合。其中板簧片是主要受力部件，因此首先對橋殼整體結(jié)構(gòu)做簡化處理并提取出相應(yīng)特征點(diǎn)坐標(biāo)，然后利用有限元方法建立空間梁單元力學(xué)分析模型。在剔除了這些區(qū)域之后，橋殼的剩余部分便被確定為設(shè)計(jì)區(qū)域。在對橋殼的外觀進(jìn)行優(yōu)化后，將其幾何形狀轉(zhuǎn)化為STL小平面體，并將此STL模型文件導(dǎo)入到三維建模軟件中進(jìn)行逆向建模。圖3展示了經(jīng)過優(yōu)化的橋殼的逆向設(shè)計(jì)狀況。

4 橋殼輕量化前后結(jié)構(gòu)性能的比較

通過精細(xì)的輕量化設(shè)計(jì)，由新型材料制成的橋殼的重量減輕了大約1939%。盡管達(dá)到了減輕重量的預(yù)期效果，但橋殼的使用性能仍需滿足特定標(biāo)準(zhǔn)，因此，對輕量化前后的橋殼性能進(jìn)行比較是必要的。

41 橋殼強(qiáng)度性能的比較

汽車橋殼所經(jīng)受的最大應(yīng)力是在最大牽引力的條件下產(chǎn)生的，因此，只需要在最大牽引力條件下比較橋殼在輕量化前后的最大應(yīng)力值。從圖4所展示的圖像中，可以觀察到經(jīng)過優(yōu)化的最大應(yīng)力與優(yōu)化前相比有所增加，從24755 MPa上升到了37896 MPa。橋殼的核心部分仍然是承受最大應(yīng)力的地方。經(jīng)過分析可知，在最大牽動力工況下橋殼中存在明顯的塑性區(qū)和應(yīng)變集中現(xiàn)象。因此，在最大牽引力條件下，部件的最大等效應(yīng)力仍然低于橋殼材料的屈服強(qiáng)度431 MPa，這滿足了在最大牽引力條件下對部件強(qiáng)度的需求。

42 橋殼剛度性能的比較

在對橋殼進(jìn)行輕量化處理后，其結(jié)構(gòu)的剛度性能必須達(dá)到橋殼臺架試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。為了驗(yàn)證橋殼輕量化前后剛度特性是否滿足要求，對不同載荷工況下進(jìn)行測試分析。汽車橋殼所承受的最大應(yīng)變值是在最大垂向力作用下產(chǎn)生的，因此，只需對比在最大垂向力作用下，橋殼在輕量化前后的最大應(yīng)變值即可。本文以某車型橋殼為例進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得出橋殼的應(yīng)力云圖以及最大撓度曲線。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，橋殼的最大變形量達(dá)到了229 mm。因此橋殼輕量化是可行的。雖然經(jīng)過輕量化處理的橋殼在最大位移量上有所提升，但它依然滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的剛度要求。

43 橋殼疲勞壽命的比較

模型實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)后，橋殼疲勞使用壽命問題成為重點(diǎn)驗(yàn)證對象。輕量化后橋殼模型疲勞壽命云圖和輕量化前橋殼模型計(jì)算結(jié)果如圖6所示。經(jīng)圖6比較分析可知：橋殼最小疲勞壽命由優(yōu)化前160萬次降低至52萬次，仍滿足最小50萬次設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜合上述分析，考慮到雙相鋼DP580橋殼在進(jìn)行了有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，仍然能夠滿足所有的性能指標(biāo)，優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表1所示。

5 結(jié)語

本文的研究焦點(diǎn)集中在探討橋殼的輕量化問題上，采用有限元軟件建立了不同減薄方案的三維實(shí)體模型。具體如下：

a.對橋殼的整體厚度進(jìn)行了減少，并對減少厚度前后的橋殼性能進(jìn)行了對比分析。在此基礎(chǔ)上，采用有限元軟件建立了不同的減薄后橋殼三維實(shí)體模型并進(jìn)行模態(tài)分析，對比計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。經(jīng)過計(jì)算分析，壁厚為5 mm的橋殼模型未能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，而壁厚為6 mm的橋殼模型在各個方面都滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但其優(yōu)化的可能性相對較小。

b.進(jìn)一步選擇形狀優(yōu)化方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將最大應(yīng)力限制為強(qiáng)度限制，最大位移量限制為剛度限制，并通過多次迭代計(jì)算將橋殼的重量從1880 kg降低到1516 kg。

c.對原橋殼和減薄后橋殼做有限元建模并仿真分析。通過對優(yōu)化后的橋殼模型進(jìn)行深入的強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析，證實(shí)了輕量化處理后的橋殼依然滿足預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，并展示了出色的性能表現(xiàn)。通過比較優(yōu)化前后的橋殼疲勞壽命，盡管優(yōu)化模型的分析顯示壽命有所下降，但依然達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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作者簡介：

郭偉偉，男，1987年生，講師，研究方向?yàn)檐囕v工程。