汽车零件中Morph优化技术的应用

1 概述  
    疲劳破坏是汽车台架试验中的主要损坏形式，一般先在局部区域产生裂纹，然后裂纹扩展导致断裂，给人身安全带来严重威胁。副车架作为底盘系统的重要零部件，其强度和疲劳品质的校核至关重要。疲劳台架试验是评价车辆副车架疲劳品质的主要办法，但是台架试验费用高、周期长而且问题大多是出现在产品设计完成之后，对设计更改带来一定难度。采用有限元模拟台架疲劳试验可以在设计初期阶段通过仿真手段为结构设计提出合理的改进方案，从而取代部分疲劳试验，大幅度地降低了工作量。计算机软硬件水平的逐步提高使得零部件的设计水平也有了长足的进步。  
2 有限元模型的建立  
    应用HyperMesh软件建立有限元分析模型。  
2.1 网格划分  
    采用四边形单元和六面体单元划分有限元网格。副车架上下片之间的点焊采用点焊单元模拟，副车架上下片之间的缝焊采用四边形单元模拟。有限元模型见图1，Global Size: 5mm，共有33669节点，33165个单元。  

图1  副车架有限元模型  

2.2 材料与属性  
    计算中所使用的材料参数如下：  
    STEEL：E=210 GPa G=80 GPa μ=0.3 ρ=7.8e-9ton/mm3 
    Aluminum：E=72 GPa G=28 GPa μ=0.3 ρ=2.7e-9ton/mm3 
3 强度分析及形状优化  
    为了与台架的试验结果进行比较，在施加载荷和约束条件时尽量与试验条件一致，在副车架四个车身支架上施加的三个平动方向的自由度约束，在控制臂外端球铰处施加载荷，方向与整车前进方向相反，大小为10KN，见图2。运用MSC Nastran软件计算得到副车架的应力值。  

图2 副车架的力与约束图 

    副车架总成在台架疲劳试验中在上片Steering_rack_housing附近出现了裂纹。对此主要是应用了HyperMesh中的HyperMorph技术对上片裂纹处的形状作了优化处理。使用HyperMorph可以通过网格直接表达几何形状的改变，从而创建不同变化的网格形状用于优化。  
    为了增加出现裂纹处的强度,在副车架上片Steering_rack_housing附近的三个区域进行了改动。三个区域（it01、it02、it03）局部处理见图3、4、5、6。调整后的三个网格形状运用HyperMorph的相关功能，将这些变动后的型面作为一个集合保存。  

图3  

图4  

图5  




    对三个区域变动的型面采用排列组合的方法可得到七种不同的改进模型。假定原始模型命名为base，那么更改后的模型分别为：base+it01、base+it02、 base+it03、 base+it01+it02、 base+it01+it03、 base+it02+it03、 base+it01+it02+it03。图7代表了三个区域都改动后的模型base+it01+it02+it03。  

图7  

4 计算结果图  
    副车架总成的有限元的计算结果中有两处应力比较集中的区域，这与实际的试验情况是基本一致的。图8为base模型的应力云图，图9为原型与7种优化方案的局部最高应力值。  

图8  

图9  

5 分析与结论  
    综合考虑两个区域的疲劳损坏情况，可以认为改进后模型base+it03是相对理想的一个结果，其中region1的σmax=372MPa，regio2的σmax=248MPa。同时我们根据计算结果进行样件试制，取得了较好的效果。  
    在竞争激烈的汽车行业，加快产品研发速度、降低产品成本、提高产品可靠性已成为企业提高产品竞争力的关键所在。应用HyperMorph优化技术，快速方便地修改局部区域，从而快速解决局部应力集中问题。