趙國(guó)偉，唐進(jìn)元，張質(zhì)子(中南大學(xué) 高性能復(fù)雜零件制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的制動(dòng)蹄輕量化設(shè)計(jì)

趙國(guó)偉，唐進(jìn)元，張質(zhì)子
(中南大學(xué) 高性能復(fù)雜零件制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

以制動(dòng)器強(qiáng)度和剛度作為約束條件，采用計(jì)算機(jī)輔助集成技術(shù)對(duì)領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器中的制動(dòng)蹄進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)研究。使用ABAQUS軟件對(duì)領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器進(jìn)行有限元分析，得到制動(dòng)蹄的應(yīng)力分布情況，并提取分析過程中制動(dòng)鼓受到的摩擦力矩。通過ISIGHT軟件集成CATIA和ABAQUS對(duì)制動(dòng)蹄進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化結(jié)果再次使用ABAQUS進(jìn)行進(jìn)一步分析，以提高分析精度，確定制動(dòng)蹄最終的優(yōu)化尺寸。研究結(jié)果表明：由分析得到的摩擦力矩與實(shí)驗(yàn)的制動(dòng)力矩比較可知基于ABAQUS的分析步驟與方法正確可行。使用輕量化方法對(duì)制動(dòng)蹄進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的效果較好，質(zhì)量降低17.87%，應(yīng)力僅增加2.86%，既實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)蹄的輕量化，又保證了制動(dòng)蹄的強(qiáng)度和剛度。研究結(jié)果可為同類產(chǎn)品的有限元分析以及輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

制動(dòng)蹄；輕量化；有限元分析(FEM)；ISIGHT軟件

汽車制動(dòng)器主要分為盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器，是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件。盤式制動(dòng)器由于其熱穩(wěn)定性好、反應(yīng)靈敏、散熱性好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)在汽車行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。鼓式制動(dòng)器是利用摩擦力實(shí)現(xiàn)減速、停車或駐車的裝置，因其制動(dòng)效能高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜得到廣泛使用[3-4]。領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器是鼓式制動(dòng)器的一種，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、便于附裝駐車制動(dòng)裝置等特點(diǎn)[5]，廣泛應(yīng)用于中、重型載貨汽車的前后輪及轎車的后輪制動(dòng)。劉惟信[6]系統(tǒng)地研究了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，從幾何學(xué)角度研究了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。在鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)性能分析方面，HOHMANN等[7-9]對(duì)鼓式制動(dòng)器進(jìn)行了有限元分析，研究了制動(dòng)過程中接觸力的分布情況。目前，鼓式制動(dòng)器的研究主要涉及制動(dòng)器的設(shè)計(jì)、加工以及制動(dòng)性能的分析與提高等方面[10-11]，但有關(guān)制動(dòng)器的輕量化研究還處于起步階段。現(xiàn)有的輕量化設(shè)計(jì)方法大都是先用有限元軟件進(jìn)行分析，然后將應(yīng)力較小的區(qū)域去掉[12-13]；或是建立相關(guān)零件的數(shù)學(xué)模型，然后利用數(shù)值方法對(duì)相應(yīng)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化[14]。上述2種方法中，前者需要進(jìn)行多次建模和分析，工作量大且難以確定最佳的優(yōu)化值，后者需要對(duì)模型進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，且對(duì)于一些復(fù)雜的模型如制動(dòng)蹄、制動(dòng)鉗體等無法通過該方法實(shí)現(xiàn)輕量化。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，為進(jìn)一步縮短產(chǎn)品研發(fā)周期并保證機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，很多軟件開發(fā)商都致力于開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CAD和CAE進(jìn)行聯(lián)合仿真的軟件，ISIGHT是其中之一。目前，通過ISIGHT軟件集成CAD和CAE軟件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)成為機(jī)械產(chǎn)品輕量化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[15-16]。本文作者研究利用ISIGHT軟件集成CATIA 和ABAQUS軟件對(duì)具有定心凸輪張開裝置的領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器的制動(dòng)蹄進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。首先通過分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)使用有限元分析軟件ABAQUS分析制動(dòng)蹄時(shí)采用的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，證明有限元分析過程的正確性。然后使用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化軟件ISIGHT集成CATIA和ABAQUS進(jìn)行輕量化參數(shù)優(yōu)化，得到較好的優(yōu)化結(jié)果和滿意的輕量化效果。

1　領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器有限元分析方法與技術(shù)

1.1領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器有限元模型的建立

具有定心凸輪張開裝置的領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1中制動(dòng)鼓與車輪輪轂通過螺栓連接，制動(dòng)蹄通過支撐銷安裝在制動(dòng)底板上，摩擦片通過鉚釘安裝在制動(dòng)蹄上。制動(dòng)時(shí)，定心凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾輪將兩蹄撐開，使摩擦片與制動(dòng)鼓接觸，從而實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)。

領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器中的零件較多，有限元分析時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行一定地簡(jiǎn)化。本次有限元分析所用模型由制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄和摩擦片組成。被簡(jiǎn)化的零部件對(duì)當(dāng)前零部件的作用以載荷或邊界條件的形式施加到相應(yīng)的作用區(qū)域。領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

1.2約束與加載

1.2.1施加約束

領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器的摩擦片與制動(dòng)鼓之間建立接觸約束，摩擦片與制動(dòng)蹄之間建立綁定約束，制動(dòng)蹄的受力端和固定端的表面以及制動(dòng)鼓內(nèi)孔表面與其對(duì)應(yīng)軸線上的參考點(diǎn)建立耦合約束，如圖3所示。

1.2.2施加載荷與邊界條件

領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器的分析分為2步：第1步給蹄的受力端(圖 3中參考點(diǎn)RP-4和RP-5)施加張力將兩蹄撐開，實(shí)現(xiàn)張力的加載，并使摩擦片與制動(dòng)鼓充分接觸，領(lǐng)蹄和從蹄上施加的張力的大小分別為25.3 kN 和84.0 kN，方向如圖3所示，與水平方向的夾角均為0.266 3 rad；第2步通過參考點(diǎn)RP-1給制動(dòng)鼓施加1 個(gè)0.3 rad的轉(zhuǎn)角。以上2步中都約束住制動(dòng)鼓內(nèi)孔和蹄的固定端除繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以外的自由度。載荷隨時(shí)間的變化情況見圖 3。

1.3結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器中最大主應(yīng)力出現(xiàn)在從蹄上，其大小和分布情況如圖4所示。

在ABAQUS的后處理模塊中可以得到制動(dòng)鼓受到的摩擦反力矩。分析得到的制動(dòng)鼓的摩擦反力矩與實(shí)驗(yàn)獲得的制動(dòng)力矩如圖5所示。

對(duì)比圖5中的2條曲線，可以看出有限元分析的過程與制動(dòng)器實(shí)際制動(dòng)過程基本一致。即在摩擦片和制動(dòng)鼓產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)之前，制動(dòng)力矩(或摩擦反力矩) 為0 kN·m，開始制動(dòng)后制動(dòng)力矩在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，直到制動(dòng)結(jié)束。

由圖5可知：有限元分析得到的領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器的摩擦反力矩為20.6 kN·m，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為19.932 kN·m。有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差為3.35%。由此說明上述有限元分析步驟與方法正確可行。

圖3　領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器的約束與加載情況Fig.3　Constraints and loading conditions of leading-trailing shoe brake

圖4　制動(dòng)蹄的應(yīng)力分布Fig.4　Stress distribution of brake shoe

圖5　實(shí)驗(yàn)與分析得到的制動(dòng)力矩Fig.5　Braking torque got by experiments and analysis

由圖4可以看出：制動(dòng)蹄上的最大主應(yīng)力為230.9 MPa。而該制動(dòng)蹄所用材料的屈服極限為310 MPa，強(qiáng)度極限為450 MPa。因此，制動(dòng)蹄還有一定的輕量化空間。

2　ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器輕量化設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化流程

圖6所示為本文所使用的輕量化設(shè)計(jì)的流程圖。由圖6可以看出：在輕量化開始之前首先要確定輕量化對(duì)象并確定需要優(yōu)化的位置。本文的輕量化對(duì)象為制動(dòng)蹄，要優(yōu)化的位置為壁板內(nèi)側(cè)區(qū)域(見圖4)；然后在CATIA中建立用于有限元分析的模型(包括制動(dòng)鼓、摩擦片、制動(dòng)蹄等)，并通過宏錄制記錄修改優(yōu)化變量的過程；再使用ABAQUS對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，在ABAQUS的默認(rèn)路徑中找到本次分析產(chǎn)生的“abaqus.rpy”文件，并將其改為“abaqus.py”文件(該文件中記錄了此次有限元分析的命令程序)，為之后的集成優(yōu)化作準(zhǔn)備；最后在ISIGHT中通過宏文件和“abaqus.py”文件中的程序調(diào)用CATIA和ABAQUS對(duì)制動(dòng)蹄進(jìn)行優(yōu)化分析；待優(yōu)化完成后再對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行處理。若結(jié)果可行，則可以根據(jù)輕量化結(jié)果試制產(chǎn)品；若結(jié)果不可行，則尋找產(chǎn)生問題的原因，待問題解決后重新進(jìn)行上述操作。

圖6　輕量化設(shè)計(jì)流程圖Fig.6　Flow diagram of lightweight design

2.2ISIGHT集成CATIA和ABAQUS

在 ISIGHT中主要用到 Optimization組件和Simcode組件來實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)蹄的輕量化。其中Optimization組件為優(yōu)化組件，用于選擇優(yōu)化算法、設(shè)置優(yōu)化變量、和優(yōu)化目標(biāo)等；Simcode組件是通用集成接口，可以將需要的CAD，CAE或自編程序集成到ISIGHT框架中。

圖7所示為在ISIGHT中集成CATIA和ABAQUS的優(yōu)化框架。使用Simcode組件來集成CATIA，ABAQUS和Delete模塊。其中CATIA模塊通過宏命令更改優(yōu)化變量，并為有限元分析提供必要的模型文件；ABAQUS模塊通過“abaqus.py”文件中的程序?qū)Ω暮蟮哪Ｐ瓦M(jìn)行有限元分析，并輸出優(yōu)化目標(biāo)的值；Delete模塊由自編程序組成，主要用于刪除當(dāng)前循環(huán)產(chǎn)生的中間文件，以保證下一個(gè)循環(huán)順利執(zhí)行。

圖7　ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的優(yōu)化框架Fig.7　Optimization framework ISIGHT integratedABAQUS and CATIA

2.3設(shè)置Optimization組件

制動(dòng)蹄的優(yōu)化變量為壁板的厚度，見圖4。選擇壁板內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)的半徑為優(yōu)化變量，記為α(取值范圍為178.5~184.0 mm)。優(yōu)化目標(biāo)為有限元分析中得到的制動(dòng)蹄的體積和最大主應(yīng)力。優(yōu)化算法選用窮舉法，使α在其取值范圍內(nèi)每隔0.01 mm改變1次，然后創(chuàng)建新的模型，并調(diào)用ABAQUS對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。

2.4優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化完成后可以在ISIGHT的History菜單中以列表的形式查看優(yōu)化結(jié)果，也可以在Graphs菜單下以圖表的形式查看。圖8所示為優(yōu)化得到的制動(dòng)蹄的最大主應(yīng)力和體積與優(yōu)化變量α之間的關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算可知：圖8中個(gè)別偏差較大的分析結(jié)果是讀取模型時(shí)的誤操作引起的，是無效的分析結(jié)果。

圖8　最大主應(yīng)力和體積與α的關(guān)系Fig.8　Relations with the maximum principal stress and volume ofα

2.5優(yōu)化結(jié)果處理

由圖8可見：隨著α增加，制動(dòng)蹄的最大拉應(yīng)力逐漸增大，體積逐漸降低。根據(jù)ISIGHT的優(yōu)化結(jié)果，除個(gè)別尺寸以外，大多數(shù)尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求。

為了提高分析精度，保證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，并確定制動(dòng)蹄最終的優(yōu)化尺寸。在ISIGHT的優(yōu)化結(jié)果中選取部分尺寸并使用ABAQUS對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化后再分析，部分分析結(jié)果如表 1所示。

表1　優(yōu)化分析結(jié)果Table 1　Result of optimization analysis.

由表1可知：隨著α逐漸增加，制動(dòng)蹄的最大主應(yīng)力和體積的變化情況與圖8所示優(yōu)化結(jié)果一致，且當(dāng)α變化到183 mm之后，制動(dòng)蹄上應(yīng)力增大的趨勢(shì)比較明顯。

圖9所示為從蹄壁板附近區(qū)域的應(yīng)力分布。在ABAQUS的后處理模塊中可以觀察不同尺寸下壁板附近應(yīng)力的變化情況，圖9(b)和圖9(c)所示分別為α等于178.5 mm和183.5 mm時(shí)從蹄壁板附近的應(yīng)力分布情況。

圖9　從蹄壁板附近區(qū)域的應(yīng)力分布Fig.9　Stress distribution of wall of trailing shoe

由圖9可見：α為183.5 mm時(shí)的應(yīng)力比178.5 mm時(shí)的大，且高應(yīng)力區(qū)域的面積也更大。通過觀察不同α值對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著α的逐漸增大，壁板附近應(yīng)力越來越大，分布面積也越來越廣，且最大應(yīng)力區(qū)域從圖 4中的輻板內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到壁板附近(圖9(c))。

結(jié)合表1和圖9，對(duì)比不同α的壁板附近區(qū)域的應(yīng)力分布情況，確定最終的優(yōu)化變量α為182 mm，對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力為237.5 MPa，體積為1.099×106mm3，從表 1可知：優(yōu)化前制動(dòng)蹄對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力為230.9 MPa，體積為1.298×106mm3。通過優(yōu)化，制動(dòng)蹄的質(zhì)量減小1.82 kg，較優(yōu)化前降低了17.87%；應(yīng)力增加了6.6 MPa，較優(yōu)化前增加了2.86%。由此可見，輕量化效果較明顯。

3　結(jié)論

1)建立了使用ABAQUS分析領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器的方法，并根據(jù)分析得到的摩擦力矩與實(shí)驗(yàn)的制動(dòng)力矩相比較驗(yàn)證了分析方法的可行性。

2)建立了ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的優(yōu)化流程，使得輕量化設(shè)計(jì)能高效可靠進(jìn)行，輕量化效果明顯，制動(dòng)蹄的質(zhì)量減少了17.87%；制動(dòng)蹄上的最大應(yīng)力僅增加了2.86%，滿足強(qiáng)度要求，較好地達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的。

3)本文使用的輕量化設(shè)計(jì)方法同樣適用于其他機(jī)械零部件，尤其是在汽車的輕量化研究領(lǐng)域。

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(編輯羅金花)

Brake shoe’s lightweight design based on ISIGHT integrated CATIAandABAQUS

ZHAO Guowei,TANG Jinyuan,ZHANG Zhizi
(Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing, Central South University,Changsha 410083,China)

Computer aided technology for brake shoe’s lightweight study with brake’s strength and stiffness as constraints was used.The leading shoe and trailing shoe brake were analyzed by ABAQUS software,and the stress distribution of brake shoes and the friction torque of drum were obtained.Brake shoe was optimized by ISIGHT software integrated CATIA and ABAQUS.To improve the accuracy of analysis and ensure brake shoe’s optimization size,ABAQUS was used to analyze the optimization results again.The results show that the ABAQUS analysis steps and methods are correct and feasible by comparing the friction torque and the barking torque gotten by experiment.This lightweight method can make a good effect on brake shoe,i.e.the mass decreases by 17.87%,and stress only increases by 2.86%.This research work realizes the lightweight design for brake shoe and guarantees its strength and stiffness,It can provide technical information and reference for similar products finite element analysis and lightweight design.

brake shoe;lightweight;the finite element analysis(FEA);ISIGHT software

唐進(jìn)元，博士，教授，從事汽車零部件的有限元分析和輕量化設(shè)計(jì)研究；E-mail:jytangcsu_312@163.com

TH132.41

A

1672-7207(2016)07-2260-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.012

2015-08-15；

2015-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275530)(Project(51275530)supported by the National Natural Science Foundation of China)