摘要：隨著汽車(chē)電動(dòng)化的不斷發(fā)展，通過(guò)減輕整車(chē)質(zhì)量以提高車(chē)輛續(xù)航能力，成為汽車(chē)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。以純電動(dòng)廂式垃圾車(chē)的尾門(mén)縱拉臂為例，基于Altair 有限元軟件的Optistruct 平臺(tái)，以SIMP 變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行縱拉臂的輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的縱拉臂結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量輕于初版結(jié)構(gòu)，而且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也獲得明顯提高。為商用車(chē)上裝部件的輕量化設(shè)計(jì)思路提供了一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：廂式垃圾車(chē)；SIMP 變密度；拓?fù)鋬?yōu)化

0 前言

純電動(dòng)廂式垃圾車(chē)擁有垃圾載運(yùn)量大、密閉性能好、裝卸效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而它的缺點(diǎn)則是動(dòng)力電池?zé)o法維持長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。目前汽車(chē)業(yè)界普遍采用減輕整車(chē)質(zhì)量的方式來(lái)增加純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航時(shí)間［1-2］。本文通過(guò)對(duì)尾門(mén)縱拉臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)來(lái)提高純電動(dòng)廂式垃圾車(chē)的續(xù)航能力。目前傳統(tǒng)的縱拉臂輕量化方法是基于工程師經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)零部件進(jìn)行減板厚或者增加減重孔等方式。前者會(huì)降低尾門(mén)整體結(jié)構(gòu)剛度，削弱了尾門(mén)的密封性能；后者在縱拉臂減重孔周?chē)菀桩a(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了縱拉臂的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致其壽命降低［3-4］。本文提出一種以應(yīng)力和位移同時(shí)作為約束條件的拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)尾門(mén)縱拉臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。該輕量化設(shè)計(jì)思路旨在保證尾門(mén)縱拉臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度性能滿足要求的同時(shí)減輕尾門(mén)質(zhì)量。分析結(jié)果表明，該研究方法可以成功應(yīng)用于尾門(mén)縱拉臂的輕量化設(shè)計(jì)。

1 尾門(mén)縱拉臂的靜力分析

1. 1 有限元模型創(chuàng)建

這里針對(duì)尾門(mén)縱拉臂數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。首先，將縱拉臂從純電動(dòng)廂式垃圾車(chē)數(shù)模中提取出來(lái)，然后導(dǎo)入HyperMesh 軟件中創(chuàng)建有限元模型。縱拉臂有限元模型的單元主要采用Shell 單元組成，各零部件材料均為Q355B。各鉸接點(diǎn)及焊接處均采用Rbe2 單元連接。尾門(mén)后板的質(zhì)心處添加質(zhì)量點(diǎn)Mass（質(zhì)量為155 kg）模擬尾門(mén)后板的質(zhì)量。各個(gè)關(guān)鍵硬點(diǎn)為：P1 尾門(mén)油缸加載點(diǎn)，P2 縱拉臂鉸接旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，P3 縱拉臂上點(diǎn)，P4 縱拉臂下點(diǎn)，P5 尾門(mén)后板質(zhì)心點(diǎn)，P6 縱拉臂的箱體支撐點(diǎn)。模型創(chuàng)建流程及關(guān)鍵硬點(diǎn)標(biāo)示如圖1 所示。

1. 2 分析工況定義

純電動(dòng)廂式垃圾車(chē)作業(yè)流程為：尾門(mén)打開(kāi)—垃圾塊裝載—尾門(mén)關(guān)閉—運(yùn)輸—尾門(mén)打開(kāi)—垃圾塊卸載—尾門(mén)關(guān)閉。對(duì)縱拉臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行工況分解，分析工況定義見(jiàn)表1。

備注：其中SPC 1、2、3 是沿x、y、z軸方向線位移自由度；SPC 4、5、6 是沿x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角自由度。

1. 3 輸出分析結(jié)果

尾門(mén)縱拉臂六個(gè)工況的靜力分析結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形均滿足要求。

2 尾門(mén)縱拉臂的拓?fù)鋬?yōu)化分析

對(duì)尾門(mén)縱拉臂劃分設(shè)計(jì)空間，設(shè)計(jì)空間尺寸應(yīng)覆蓋尾門(mén)縱拉臂的總體積?？紤]尾門(mén)縱拉臂與尾門(mén)油缸、尾門(mén)后板、垃圾箱箱體的焊接部位及鉸接點(diǎn)，該部分需要?jiǎng)澐譃榉窃O(shè)計(jì)空間，建立具有設(shè)計(jì)變量和非設(shè)計(jì)變量的有限元模型。拓?fù)鋬?yōu)化分析模型如圖2（a）所示。

經(jīng)過(guò)78 個(gè)迭代步的優(yōu)化迭代計(jì)算，將密度閾值設(shè)置為0.25，得到尾門(mén)縱拉臂優(yōu)化模型的最佳單元密度分布，如圖2（b）所示。

3 縱拉臂優(yōu)化數(shù)據(jù)的驗(yàn)證分析

3. 1 縱拉臂CAD 優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

使用HyperMesh 軟件的OSSmooth 功能，將縱拉臂優(yōu)化后的有限元模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CAD 數(shù)據(jù)文件，這里導(dǎo)出STEP 格式文件。再利用Catia 軟件對(duì)縱拉臂優(yōu)化后的曲面進(jìn)行擬合和重構(gòu)，對(duì)各部分零件采用空心結(jié)構(gòu)，主體矩形管3 mm 板厚，其余板厚設(shè)置為2 mm。將更新后的縱拉臂數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hypermesh 中重新建模，各分析工況及約束條件保持不變，重新提交有限元軟件進(jìn)行靜力分析。

3. 2 拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)三要素的定義，即設(shè)計(jì)變量的輸入、目標(biāo)函數(shù)的確定、約束條件的設(shè)置，其中目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式（1），約束條件的函數(shù)表達(dá)式如式（2），設(shè)計(jì)變量的函數(shù)表達(dá)式如式（3）。

根據(jù)前述尾門(mén)縱拉臂的靜力分析結(jié)果，D1、D2、D3、D4 為不同工況下各個(gè)關(guān)鍵硬點(diǎn)的取值，σmax 取值材料屈服強(qiáng)度。

3. 3 優(yōu)化后分析結(jié)果對(duì)比

尾門(mén)縱拉臂優(yōu)化后數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如表3所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)純電動(dòng)廂式垃圾車(chē)尾門(mén)縱拉臂進(jìn)行靜力分析，以縱拉臂包絡(luò)空間作為設(shè)計(jì)變量，以靜力分析結(jié)果作為約束條件，最小體積作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)縱拉臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析。經(jīng)軟件求解后得出以下結(jié)論：（1）優(yōu)化后的縱拉臂整體變形與初版數(shù)據(jù)差別不大，滿足尾門(mén)密封性能要求。（2）優(yōu)化后縱拉臂的最大應(yīng)力為138.8 MPa，比初版數(shù)據(jù)最大應(yīng)力276.6 MPa，降低50%。優(yōu)化后的縱拉臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯提高。（3）優(yōu)化后縱拉臂的總體積為0.002 442 m3，初版數(shù)據(jù)的總體積為0.003 452 m3，優(yōu)化后總體積降低29.3%，相對(duì)總質(zhì)量也降低29.3%。由此得出結(jié)論，純電動(dòng)廂式垃圾車(chē)尾門(mén)縱拉臂通過(guò)應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輕量化。

參 考 文 獻(xiàn)

［ 1 ］ 王鈺棟， 金磊， 洪清泉， 等. HyperMesh &HyperView 應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［ 2 ］ 洪清泉，趙康，張攀，等.Optistruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［ 3 ］ GE D，ZHU L，XUAN D.Topology optimization in electric car body frame based on optistruct[J].EDP Sciences，2017，100：01016.

［ 4 ］ 喬維高，田哲文，管群生，等. 專(zhuān)用汽車(chē)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2010.