新型真空筒的結構優(yōu)化

汽車(chē)實(shí)用技術(shù)20 13年第9期設計研究AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY13 NO.9新型真空筒的結構優(yōu)化葉飛(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230601)摘要:本文詳細地介紹了某車(chē)型不規則塑料真空簡(jiǎn)的設計過(guò)程，并以實(shí)車(chē)驗證為依據，證明了理論模型結構優(yōu)化的有效性，為儲能產(chǎn)品的設計提供一定的參考和指導作用。關(guān)鍵詞:塑料;真空筒;結構優(yōu)化;儲能中圖分類(lèi)號: U463.5文獻標識碼: A文章編號: 1671-7988(2014)09- -55- -05New vacuum tube structure optimizationYe Fei(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )A bstract: This paper firstly presents the design process of one plastic vacuum tube, according to vehicle test, proves thevalidity of the theoretical model structure optimization and provides certain reference and guidance for the design of theenergy storage products.Keywords: plastic; vacuum tube; structure optimization; energy storageCLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-55-05總成。然而不規則的真空簡(jiǎn)則難以通過(guò)傳統的鈑金沖壓工藝引言實(shí)現，而目前常見(jiàn)的儲能產(chǎn)品主要為兩種材質(zhì)，一種是金屬真空簡(jiǎn)是液壓制動(dòng)系統中用來(lái)儲存真空的儲能裝置，也材質(zhì)，一種是塑料材質(zhì)。而如何設計一款結構可靠的不規則有稱(chēng)之為真空罐。其儲存的真空可在車(chē)輛行車(chē)制動(dòng)時(shí)，為真塑料真空筒成為擺在設計人員面前的-一個(gè)難題， 下 文則將通空助力器提供足夠的真空以滿(mǎn)足頻繁制動(dòng)的需求。真空簡(jiǎn)多過(guò)某一-輕型客 車(chē)塑料真空簡(jiǎn)的開(kāi)發(fā)案例，介紹塑料材質(zhì)真空見(jiàn)于輕型商用車(chē)上,而很少應用到乘用車(chē)上。其主要原因是:筒從結構設計到強度優(yōu)化以及試驗驗證的開(kāi)發(fā)過(guò)程，為同類(lèi)-般乘用車(chē)的總質(zhì)量較小，制動(dòng)時(shí)所需的真空較少，即使是型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供指導性建議。頻繁的制動(dòng)，真空泵的抽取速度基本都能滿(mǎn)足要求，而商用1、某車(chē)型塑料真空筒的結構設計車(chē)的總質(zhì)量較大，其制動(dòng)時(shí)所需的真空相對較多，頻繁制動(dòng)時(shí)，若不匹配真空簡(jiǎn)，真空泵的抽取速度難以跟上消耗速度，1.1 概述會(huì )降低真空助力器助力的助力效果，尤其在山路下坡時(shí)，會(huì )在某輕型客車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機較大，導致發(fā)艙因為整車(chē)慣性較大，產(chǎn)生安全隱患。內空間狹小，難以布置下一個(gè)6L大小的真空筒，即使勉強隨著(zhù)越來(lái)越多的新車(chē)型的開(kāi)發(fā),發(fā)艙的布置會(huì )不盡相同。布置下， 也會(huì )影響發(fā)艙散熱，產(chǎn)生熱害風(fēng)險，所以需要將真當某些車(chē)型的發(fā)艙空間難以存放一-個(gè) 規則的固定容積的真空空簡(jiǎn) 移至發(fā)艙外布置。最終經(jīng)過(guò)綜合考慮決定將真空簡(jiǎn)布置簡(jiǎn)時(shí)，將真空簡(jiǎn)設計成不規則形狀會(huì )成為-一種需求。目前傳在右前輪包下， 由于布置位置特殊，真空簡(jiǎn)形狀無(wú)法設計成統的真空簡(jiǎn)都是通過(guò)鈑金沖壓生成上下兩個(gè)簡(jiǎn)體，然后將上傳統的圓簡(jiǎn)狀或方 盒狀，造型相對奇特;而受造型影響，傳下簡(jiǎn)體以及附屬的支架等焊接在一起，如此就行成了真空簡(jiǎn)統的鈑 金沖壓件工藝難以實(shí)現，因此該真空簡(jiǎn)最終采用了塑料材質(zhì)。上下簡(jiǎn)中國煤化工簡(jiǎn)體通過(guò)熱板作者簡(jiǎn)介:葉飛，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心。焊接成一體，如1MHCNMHG2014年第9期葉飛等:新型真空筒的結構優(yōu)化1.2原始方案存在凹陷現象，并在三臺可靠性樣車(chē)行駛至12000KM 左右均出現了凹陷面開(kāi)裂漏氣故障。針對此問(wèn)題，通過(guò)其他結構0型產(chǎn)品的設計引入CAE結構分析工具對原始方案進(jìn)行理論模型的強度校核，并對市場(chǎng)上某成熟鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)進(jìn)行對比，設定合理的性能目標，對該塑料真空簡(jiǎn)進(jìn)行結構優(yōu)化，消除不合理的設計因素。1.3性能目標設定該塑料真空簡(jiǎn)具體材質(zhì)為PP+30%玻璃纖維，彈性模量為5400MPa,泊松比為0.43，屈服極限為120MPa(彎 曲)和80MPa(拉伸)，真空簡(jiǎn)所受負壓為95KPa。對原始方案進(jìn)行圖1真空筒上簡(jiǎn)體CAE分析，分析結果如圖5和圖6所示;對成熟鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)進(jìn)行分析，分析結果如圖7和圖8所示。Contour PlotE:SCRATCHIM111 Vacum bdfDisplacemeR(ae) E:\SCRATCHM111 Vacum. op21-81092年月ASE 1= STEP_ 95KPA : Simulation 1L -7 208E+00-6.307E+005. 406+00_3 604E+- 2703E+00Slatig Msx. Value= 8.109圖2真空筒下簡(jiǎn)體Node 4072Min=000E+00圖5原始方 案位移云圖Contouplol.. E\SCRATCHM111_Vacum btfStress(vonRaSEHMEPlSCRATCHM111-Yacum-pp2Simple Averag4SE1-STEP_95K f Simrame. -9.589E+01E圖3真空筒總成StaticMax. YlUez 407.873Max=1079E+0270_可Node 21圖6原始方案應力云圖Contour Plot E:\SCRATCHM209. Vacuum. bofAnalysis, STH8ISEiE STED ELBA - Sms lio 1Simple ASeIgeSE1-SFEPSkPA5SFrame 1L4 874E+01- -4.265E+01-3.656E+01- 3.046E+9/圖4真空筒布置示意圖受輪包形狀和輪胎位置的影響，該真空簡(jiǎn)設計成類(lèi)似菱形的形狀，如圖1所示，分為上下簡(jiǎn)體結構，分別如圖2和Max=5483Eoreace Max. Vaule= 5圖3所示，其整車(chē)布置示意圖如圖4所示。在初次設計此種中國煤化工不規則塑料真空簡(jiǎn)時(shí)，缺少相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的案例指導，導致按此方案開(kāi)發(fā)的真空簡(jiǎn)實(shí)物在裝車(chē)后即發(fā)現靠近輪胎的一面MYHCNMH G .5:汽車(chē)實(shí)用技術(shù)2014年第9期DisplacemetaeMael EISCBATCEHMNG u對原始方案結構模型進(jìn)行分析，原始方案強度較弱區域Analysis&eleAsE 1= STEP. _95KPA : Simulation 1如圖9所示，與實(shí)際故障相符，主要是因為此區域為平面。Frame1-2.163E-01過(guò)棱邊中點(diǎn)的截面反映此區域的幾何特征。線(xiàn)段1.3構成一個(gè)截面，線(xiàn)段2、 4構成- -個(gè)截面。1 與3之間、2與4之間的夾角均為180度。要提高該區域的強度，可以通過(guò)將棱邊中點(diǎn)向外移動(dòng)來(lái)實(shí)現，如圖10所示。-0.00Max. Value= 0.24:1.4.1 優(yōu)化方案1Max= 2434E-01在以上分析的基礎上，將棱邊中點(diǎn)向外移動(dòng)12mm做優(yōu)Node 14613化嘗試，CAE分析結果如圖11和圖12所示。圖8鐵質(zhì)方 案應力云圖屈服極最大應最大位方案材料限(MPa)力(MPa)移(mm)原始方案.PP+30%8(107.98.109 .玻璃纖維鐵質(zhì)方案.Q23523554.830.243圖11優(yōu)化方案1位移云圖結論:由以上CAE分析可知:該塑料真空簡(jiǎn)原始方案的最大應力超出屈服極限，最大位移為8.1mm,而鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)的的最大應力和最大位移均是較小的。因此根據鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)- 790強度水平，結合塑料真空簡(jiǎn)確實(shí)存在的結構差異，將該塑料真空簡(jiǎn)的結構性能目標定在:最大應力小于30MPa，最大位移與鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)保持同-一量級，即小于1mm。1.4結構優(yōu)化圖12優(yōu)化方案 1應力云圖剛度較|1.4.2優(yōu)化方案2同樣將棱邊中點(diǎn)向外移動(dòng)24mm，做嘗試對比，CAE分析結果如13和圖14 所示。24- -1 02+20e Viue- 1947圖9分析簡(jiǎn)圖圖13優(yōu)化方案 2位移云圖中國煤化工TYHCNMHG圖10中點(diǎn)外移圖14優(yōu)化方案 2應力云圖2014年第9期葉飛等:新型真空簡(jiǎn)的結構優(yōu)化58屈服極|最大應最大位移方案材料限(MPa)|力(MPa)UECASE-STEP 86PA : SinginiI L3782E401PP+30%: Max Veun- 41805原始方案80107.98.109玻璃纖維優(yōu)化方案174.993.145優(yōu)化方案259.881.947圖18優(yōu)化方案 2+3應力云圖由以上對比分析可知，將棱邊中點(diǎn)向外移動(dòng)可有效提升該真空簡(jiǎn)的結構強度，但單純的移動(dòng)棱邊中點(diǎn)還無(wú)法達到目屈服極最大應最大位限(MPa)力(MPa)移(mm)標要求，還需要從其他角度考慮。1.4.3 優(yōu)化方案3加強筋是多數結構型產(chǎn)品設計中經(jīng)常應用到的輔助工具，因此可對原始方案的加強筋進(jìn)行優(yōu)化，首先考慮的就是增加加強筋的厚度，因此根據此思路在優(yōu)化方案1和優(yōu)化方優(yōu)化方案1| PP+30%案2的基礎.上再將內部加強筋厚度由1.5mm增大至3mm,+優(yōu)化方案3玻璃纖維8做優(yōu)化嘗試，CAE分析結果如下所示。Resut: ESMeMt1 Vcum Motr,J3op2優(yōu)化方案2+SUBCASE141.611.9391:731E-00優(yōu)化方案3由以上對比分析可知，通過(guò)移動(dòng)棱邊中點(diǎn)和增加內部加a Valbee 1.947強筋厚度可有效提升該真空筒的結構強度，可為結構優(yōu)化提供方向性的引導，但具體優(yōu)化仍需進(jìn)一步完善。1.4.4優(yōu)化方案4在以上優(yōu)化方案的嘗試和對比的基礎上，同時(shí)結合傳統圖15優(yōu)化方案1+3位移云圖成熟結構型產(chǎn)品的設計案例，對該塑料真空簡(jiǎn)采取的綜合優(yōu)化方案為:A圖16優(yōu)化方案1+3應力云圖圖19優(yōu)化薄弱面RL- 107400- 8.617E-01r Valu= 199C>Mo00.000中國煤化工圖17優(yōu)化方案2+3位移云圖YHCNMHG5S汽車(chē)實(shí)用技術(shù)2014年第9期由.上表可知，優(yōu)化方案4達到最初制定的性能目標，符合設計要求。按照優(yōu)化方案4成型的真空簡(jiǎn)實(shí)物在經(jīng)過(guò)85萬(wàn)次臺架疲勞試驗和總里程為6萬(wàn)公里的實(shí)車(chē)可靠性驗證后，均未出現任何問(wèn)題。以上實(shí)踐證明:基于理論模型的真空簡(jiǎn)結構優(yōu)化是有效和實(shí)用的。2、總結圖21 具體方案位移云圖本文通過(guò)理論與實(shí)際相結合,以傳統鐵質(zhì)真空筒為參考，CortourPlot依托CAE分析手段,詳細地介紹了某不規則塑料真空簡(jiǎn)的結構優(yōu)化過(guò)程，并以試驗為依據，證明了理論模型優(yōu)化的有效- 6 206E01 .一 -5 320E-01性，為儲能產(chǎn)品，尤其是不規則形狀的開(kāi)發(fā)提供一-定的參考-4.433E-01L 266E-.0和指導作用。L 00000所以在設計真空簡(jiǎn)或其它儲能產(chǎn)品時(shí)，當遇到不規則結構形狀限制而無(wú)法使用傳統鐵質(zhì)材料時(shí)，可考慮使用塑料或Ma=000EtO其他材料，以類(lèi)似成熟產(chǎn)品為參考，設定合理的性能目標。在產(chǎn)品的結構設計時(shí)，盡量使承壓處球面化，因為球形面在(1)將原薄弱平面優(yōu)化成圓弧面(弧面大小受輪胎極限受到發(fā)散型壓力時(shí)， 其受力是均勻分布的，可有效避免應力位置限制)，如圖19所示;集中。若不能球面畫(huà)，可添加適宜的加強筋等輔助措施以增(2)將內部加強筋由普通結構改為U型結構，同時(shí)厚強整體的結構強度， 另應避免尖銳的過(guò)渡。如此，一個(gè)可靠度由1.5mm增大至3.5mm，如圖20所示。的非金屬質(zhì)儲能產(chǎn)品是可以實(shí)現的。按此做優(yōu)化嘗試，CAE分析結果如圖21和圖22所示。理論模型的CAE分析存在一-定的誤差 ,但可通過(guò)對比為圖22具體方案應力云圖結構優(yōu)化提供方向性的指導。屈服極最大應|最大位移方案材料在本次設計中，理論分析借助了應用軟件HyperMesh。限(MPa)力(MPa)(mm)PP+30%原始方案玻璃纖維8(107.98.109 .參考文獻目標方案<30E1[1] 王望予《汽車(chē)設計》 機械工業(yè)出版社:[2]張勝蘭鄭冬黎郝琪等《基于 HyperWorks的結構優(yōu)化設計技優(yōu)化方案427.90.798術(shù)》 機械工業(yè)出版社。中國煤化工MYHCNMHG