～ ～黼 基于ＡＢＡＱＵＳ的调节杆支架 结构优化设计 龙爱军 周宏涛 陈煌熙 （湖南中车时代电动汽车股份有限公司） 摘要：以某新能源公交客车的调节杆支架为研究对象，利用Ｐｒｏ，Ｅ、ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ、Ａｂａｑｕｓ软件对调节杆支架进行三维建模、网格 划分、有限元分析。通过分析，发现该零部件存在过设计问题，针对调节杆支架过设计问题进行结构优化，优化后结果表明， 调节杆支架的应力和位移均在许用范围内，满足设计要求，且优化后实现了２９％减重目标。 关键词：调节杆支架Ａｂａｑｕｓ过设计有限元分析 Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｒｏｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ Ｐｒｏ／Ｅ，ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｍｅｓｈｉｎｇ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｒｏｄ ｓｕｐｐｏ￣ｆｏｒ ａ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ｂｕｓ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａａｊｕｓｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｒａｃｋｅｔ ａｒｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｒａｎｇｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ２９％ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｔａｒｇｅｔ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｅｖｅｒ ｂｒａｃｋｅｔ，Ａｂａｑｕｓ，ｏｖｅｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ， ０引言 件的相关结构强度、避免零部件的过设计问题，同时 也为企业节约了成本，提高经济效益【”１。 调节杆支架作为新能源客车上发动机冷却系统 这里利用Ａｂａｑｕｓ软件对调节杆支架在不同工况 中散热器总成的辅助安装固定零部件，对于散热器 下的有限元分析，得到应力及位移分布云图，基于仿真 总成的可靠性起着关键性作用。目前由于各大新能 结果对调节杆支架结构进行优化，有效地避免了零部 源客车厂发动机冷却系统散热器的固定方式不一， 件的过设计问题，并减轻了调节杆支架的重量。 所具有的特点也有所不同。湖南中车时代电动汽车 股份有限公司采用带有调节杆安装固定方式，该固 １有限元模型的建立 定方式在一定程度上有效地避免散热器总成过早失 效、漏水、损坏等问题。现阶段整车产品中的大部分 １．１三维模型 零部件的支架设计主要依靠工程师的经验来完成， 散热器总成固定主要由散热器托架、连接支架、 从而会出现零部件的过设计问题。随着有限元分析 调节杆支架、调节杆、ｕ型支架等零部件组成。利用 技术的快速发展，汽车零部件的设计有了新的发展 Ｐｒｏ／Ｅ软件对散热器总成安装固定方式进行建模，通 方向，而不再依赖于传统的经验设计，可通过有限元 过建模，可清晰了解调节杆支架与调节杆及散热器的 分析技术对产品进行结构优化设计，不仅能提高零 连接情况，为提高模型计算效率，将调节杆支架模型 ２０１７．１。ＫＥＣＨＥＪＩＳＨＵ《客车技术》囵 ．Ｙ．艺。材料．设备 进行提取并进行简化处理。定义调节杆支架中各零部 件焊接后为一整体；支架与加强筋的焊接强度和母材 强度相等，整体建模Ｉ Ｉ。散热器总成安装固定及调节杆 支架三维模型分别如图ｌ、图２所示。 图３调节杆支架有限元网格模型 １．４定义边界条件及载荷 将调节杆支架有限元模型从ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件中 导出ＩＮＰ文件，并将该ＩＮＰ文件导入Ａｂａｑｕｓ软件中 图１散热器总成固定安装三维维模型 进行边界条件设置和求解，有限元分析的边界条件包 括约束条件和受力条件。根据实际装车情况可知，在 调节杆支架直板安装孔与散热器安装孔连接处进行 完全约束，并根据不同工况在调节杆支架ｕ型板两 孔中心点处施加垂直与水平载荷等效加载。根据某汽 车企业仿真分析及实验参数可知，垂跳工况为２．５ ｇ， 制动工况为０．８ ｇ，转弯工况为Ｏ．５ ｇ，通过计算得到调 节杆支架垂跳工况受力为一１２２５ Ｎ，每个孑Ｌ受力为 －６１２５ Ｎ滞０动工况受力为－３９２ Ｎ，每个孑Ｌ受力为一１９６ Ｎ； 转弯工况受力为２４５ Ｎ，每个孑Ｌ受力为１２２．５ Ｎ。 图２调节杆支架三维模型 １．２网格划分 ２仿真分析及优化 ２．１仿真分析 将Ｐｒｏ／Ｅ软件中建立的调节杆支架三维实体模 型直接导人到网格划分软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中，由于该模 型规模较小，可以采用较小的单元尺寸划分网格。为 了划分规则、合理的网格，先将平面网格划分为正方 边界条件及载荷施加完成后进行求解，并输出求 解的应力云图（图４）和位移云图（图５）。由不同工况 下求解的应力云图可知该散热器支架应力范围，垂 跳工况下范围为０～５２．７３ ＭＰａ；制动工况下范围为 形再进行体网格的拉伸，得到六面体实体单元，在进 行平面网格划分前先对该实体进行局部切割，使其平 面方便网格拉伸。其中网格尺寸设置为２ ｍｍ，得到单 元总数２５８２０，节点总数为３６２９７，网格划分后的有限 元网格模型如图３所示。 １．３材料属性设置 ０ ２９．６７ ＭＰａ；转弯工况下范围为０～１４．０６ ＭＰａ。并得 出三种工况应力主要分布于调节杆支架ｕ型板与竖 板的连接处．最大应力（５２．７３ ＭＰａ）出现在垂跳工况， 远小于压缩屈服强度２３５ ＭＰａ；由位移云图可得出不 调节杆支架使选用Ｑ２３５Ａ材料，模型结构变形 假设为线性变化，材料为各向同性。材料弹性模量 为２．１ｅ５ ＭＰａ，泊松比 为０．３，密度Ｐ为７．８５Ｅ－９ｔ／ｍｍ ， 屈服强度【 】为２３５ＭＰａ。 同工况下位移云图范围，最大位移（Ｏ．１２ ｍｍ）出现在制 动工况下调节杆支架ｕ型板外侧边缘处，远小于垂跳 工况下安全系数（４．４），因此说明散热器支架结构满足 强度要求，且存在过设计问题，有较大的优化空间。 《客车技术》ＫＥＣＨＥＪＩＳＨＵ ２０１７．１． 团 设计．计算．研究 图４调节杆支架应力云图 图５调节杆支架位移云图 ２－２优化对比分析 对优化后的调节杆支架三维模型在ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ 通过上述对调节杆支架的仿真分析可知，应力值 与位移值均较小，安全系数较高，故可对该调节杆支 架进行优化设计。可从两个方面进行优化，①将原竖 板进行简化，去除与直板连接的高度；②由原来的两 根加强筋改为一根加强筋且居中。 软件中进行网格划分，再次导人Ａｂａｑｕｓ进行加载求 解，约束及加载条件同前，得到应力云图和位移云图 分别如图６、图７所示。调节杆支架优化前后的应力 及位移对比结果见表ｌ 图６优化后调节杆支架应力云图 ２０１７．１．ＫＥＣＨＥＪＩＳＨＵ《客车技术》囵 麓 髓 图７优化后调节杆支架位移云图 表１调节杆支架优化前后结果对比 分别为５２．７３ ＭＰａ、２１ １ ＭＰａ，优化前后支架的最大位 移几乎没有变化，安全系数大于１，均能满足结构强 度性能要求。优化后的调节杆支架实车安装后运行 １．４７ 优化前后 工况 最大应力５，ＭＰａ 最大位移 ，ｍｍ 安全系数 重量， 垂跳工况 调节杆支 ５２．７３ Ｏ．０７ ４．４ 架优化前 制动工况 转弯工况 垂跳工况 ２９．６７ ｌ４．Ｏ６ ２ｌｌ ０．１２ ０．Ｏ２ ０．５ ０．１９ ７．９ ｌ６．７ １．１ ６．４ 良好，且优化后调节杆支架实现减重２９％的目的，有 效地避免了零部件的过设计问题，并间接实现了零 部件的轻量化设计。为后续支架的设计提供帮助，并 １．０４ 调节杆支 制动工况 架优化后 转弯工况 ３６．３４ 对整车产品中其他零部件支架的过设计及轻量化设 计提供了参考。 ２２．１１ Ｏ．Ｏ９ ｌ０．６ 从图６中可知，优化后的调节杆支架应力云图最 大应力（２ ｌ ｌ ＭＰａ）位于垂跳工况下竖板与直板的连接 外侧点处，小于材料的屈服应力２３５ ＭＰａ，满足结构 强度要求。从图７中可知，最大位移（０．１９ ｍｍ）位于制 动工况下ｕ型板外侧边缘处，从表１可知调节杆支 架优化前后安全系数均大于ｌ，最大位移几乎没有变 化，结构强度均满足设计要求。且优化后的调节杆支 架较优化前重量减轻了０．４３ ｋｇ，即减重２９％，并在实 车安装后运行良好。 ２００６（９）：３１－３３． 参考文献 …ｌ鞠晓锋，陈昌明，吴宪．现代汽车轻量化技术［Ｊ】．上海汽车， 【２】欧阳帆．零部件轻量化是汽车轻量化的根本ｆＪ］．制造技术与 材料，２０１０（１０）：２４—２７． 【３］范军锋．现代轿车轻量化技术研究——新材料技术、轻量化 工艺和轻量化结构『Ｊ１．汽车工艺与材料，２００９（２）：１０—１５． 【４】吴胜男，曾海鹏，童一帆，抄佩佩．我国节能与新能源汽车产 业政策研究［Ｊ］＿汽车工程学报，２０１５，３（５）：１５７—１ ６３． 【５】曹春玲，秦润泽．液压支架底座的有限元分析『Ｊ］．煤矿机械， ２０１２，３３（６）：１１１－１１２． ３结论 以某新能源公交客车的调节杆支架为基础，通 过Ｐｒｏ／Ｅ软件对调节杆支架进行了三维建模，并导 入ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件进行网格划分，利用Ａｂａｑｕｓ软件 【６】田大龙，张保成，李瑰，马学军．基于ＡＢＡＱＵＳ的液压支架底 座尺寸优化设计 煤矿机械，２０１３，１１（５）：１３—１５． 【７】邹帆，何锋，李真，冯春亮．基于ＡＢＡＱＵＳ的客车车身骨架 静态分析与轻量化研究【Ｊ】＿农业装备与车辆工程，２０１３，１ １ （５１）：２２—２４＋６０． 【８】徐靖，吕兆平，唐基荣．基于ＡＢＡＱＵＳ的汽车燃油箱的结构 强度分析ＩＪ１．装备制造技术，２０１４，９（２）：７６—７７＋８０． 对垂跳工况、制动工况、转弯工况进行了有限元分 析，根据求解的调节杆支架应力云图和位移云图可 知，优化前后支架的最大应力位于垂跳工况下，其值 收稿日期：２０ｌ６—１２－２７ 《客车技术》ＫＥＣＨＥＪＩＳＨＵ ２０１７．１． 囡