【《汽車前軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化性能研究（論文）》13000字】

汽車前軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化性能研究摘要關(guān)鍵詞：前軸，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，Solidworks,輕量化，有限元分析，拓?fù)鋬?yōu)化目錄 1.1研究背景和意義 1.1.1研究背景 1.1.2研究意義 21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3本文研究內(nèi)容 4 52.1汽車前軸 2.2Solidworks軟件介紹 62.3前軸模型的建立 7 83.1有限元法基本理論 3.2有限元軟件介紹 3.3有限元建模 3.4有限元分析 3.4.1工況與邊界條件 3.4.2仿真結(jié)果分析 4.前軸結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計 4.1拓?fù)鋬?yōu)化模型介紹 4.2結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計 4.3優(yōu)化結(jié)果分析與工程詮釋 216.總結(jié)與展望 25 6.2研究展望 11.1研究背景和意義隨著我國的人均收入不斷提高，我國的汽車保有量也在逐年攀升，汽車銷量已經(jīng)連續(xù)十年位居世界首位，燃油的消耗量也在不斷增加，使得等溫室氣體的排放越來越高，空氣污染越來越嚴(yán)重。中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，體現(xiàn)了中國應(yīng)對氣候變化的雄心和力度1]。目前，國家有關(guān)部門對能耗和排放制定了-系列標(biāo)準(zhǔn)，這對汽車節(jié)能減排技術(shù)提出了更高要求(林一博，王梓萱，2022)。對于汽車行業(yè)來說，除了加快清潔燃料的開發(fā)，提高燃料利用率也是現(xiàn)階段降低汽車污染排放的有汽車輕量化在保證汽車安全性和使用性能不變的前提下，盡量減小汽車的整備質(zhì)量，從而有效的降低油耗，減小排放，也提高了汽車的動力性。實(shí)驗(yàn)證明，如果汽車整體質(zhì)量降低10%,那么燃油的消耗就能夠降低6%-8%12;汽車整備質(zhì)量每減少100kg,每百公里油耗量可降低0.3升-0.6升，可以由此看出二氧化碳排放量能夠減少約5克/公里。汽車的整備質(zhì)量占到汽車總質(zhì)量的30%左右。這就意味著，在汽車空載的情況下，將會有70%的燃油消耗在車身的重量上3]。因此，對汽車進(jìn)行輕量化技術(shù)的研究，可有效的降低材料消耗，降低生產(chǎn)成本，減少對環(huán)境的污染(馮晨昊，李映雪，2023)。從駕駛的角度來看，從這些表現(xiàn)可以推測出汽車實(shí)現(xiàn)輕量化后，汽車的動力性，操縱穩(wěn)定性，以及駕駛平順性都將大大提高。從安全性角度來看，由于汽車質(zhì)量減小使汽車的慣性減小，因而汽車的制動距離也將會得到改善。2在前軸的設(shè)計改進(jìn)過程中，研究人員大多采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算，或通過制造樣車，進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)，通過對得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對零部件進(jìn)行改進(jìn)，雖然可以直觀看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是不能夠準(zhǔn)確計算出零部件在不同工況下的受力情況，導(dǎo)致前軸研制周期長，產(chǎn)品更新緩慢，產(chǎn)品性能提升不明顯。依此背景而定針對這些問題，通過采用CAE技術(shù)，重點(diǎn)研究汽車前軸在緊急制動工況，側(cè)滑工況，通過不平路面工況三種不同工況的受力情況。對前軸進(jìn)行三維模型的建立，之后進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化，對前軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，建立優(yōu)化后的前軸三維模型(高云飛，孫芷晨，2021)。而后再次對優(yōu)化后的前軸進(jìn)行有限元分析，基于三種工況，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)這一背景判斷其是否達(dá)到要求，最終得到可完全替代現(xiàn)有前軸的輕量化前軸。由此可得到更為精確的分析結(jié)果，從而能夠更有效地將輕量化方案投入到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中去，更快的進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。本文主要的研究對象是重卡前軸，采用有限元的方法進(jìn)行靜力學(xué)分析，做到質(zhì)量、成本、性能三者同時兼顧，在保證前軸的強(qiáng)度、剛度和不降低汽車性能的前提下，對汽車前橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和輕量化設(shè)計，去掉前軸上存在的一些多余部分，以較少的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到更為可信的可靠性評估結(jié)果，減少設(shè)計與試驗(yàn)成本，為開發(fā)載重車高性能輕量化前軸提供了技術(shù)方法和理論支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外關(guān)于輕量化的研究起步較早，早在1941年，AlexanderHrennikoff在美國創(chuàng)造性的探索了網(wǎng)格方法，可以把二維彈性連續(xù)體模擬成一個桁架式框架系統(tǒng)。到了20世紀(jì)70年代，有限元方法已經(jīng)滲透到非常多的領(lǐng)域，例如流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場、等(薛宇峰，馬思敏，2021)。以美國、日本為代表的汽車發(fā)展強(qiáng)國，考慮到這種背景依靠強(qiáng)大的技術(shù)儲備和科研隊(duì)伍，不斷在汽車輕量化的道路上探索，始終掌握著汽車輕量化的最尖端技術(shù)。目前，汽車輕量化技術(shù)主要有三大類，分別是結(jié)構(gòu)輕量化，材料輕量化和制造工藝輕量化4]。圖1.1為汽車輕量化技術(shù)的途徑。理論上講，只要方案的輸入信息與預(yù)期一致，其輸出就有望符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。詳細(xì)而言，若初始狀態(tài)與參數(shù)設(shè)定精確無誤，且所構(gòu)建的模型或方法體系合理，則其產(chǎn)出將具備較高的可靠性和有效性。這既需要輸入數(shù)據(jù)的精確性，也依賴于分析結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、技術(shù)方法的先進(jìn)性以及研究策3略的合理性。此外，還需關(guān)注外部環(huán)境對結(jié)果的影響，確保研究過程的可控性和可驗(yàn)證性，為結(jié)論的普遍接受度提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的輕量化可以通過形貌優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化等實(shí)現(xiàn)，目前主要的輕量化方法以結(jié)構(gòu)輕量化為主(林子昂，張雅麗，2022)51;材料輕量化通過使用輕質(zhì)新材料，例如輕型復(fù)合材料，鎂鋁合金，在此類條件中碳纖維等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料代替原有材料來實(shí)現(xiàn)；制造工藝輕量化是通過提升制造工藝來實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用在乘用車制造領(lǐng)域，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的輕量化制造工藝有內(nèi)高壓成型，激光焊接等技術(shù)。針對商用車的輕量化的研究起步較晚，但正在引起行業(yè)重視(王俊凱，趙月華，2020)。近幾年，例如以戴姆勒，德納為首的國際零部件供應(yīng)商，開始對汽車前軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在此特定狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了矩形梁到工字梁的轉(zhuǎn)變，使前軸實(shí)現(xiàn)減重達(dá)到3%-5%,并改進(jìn)了制造工藝，確保輕量化后的前軸的外形和性能滿足要求(孫浩然，郭婷婷，汽車輕量化汽車輕量化拓?fù)鋬?yōu)化形貌優(yōu)化尺寸優(yōu)化多學(xué)科優(yōu)化高強(qiáng)度鋼激光焊接鎂鋁合金復(fù)合材料液壓成型車橋作為底盤行駛系統(tǒng)的重要組成，車橋輕量化逐漸受到國內(nèi)汽車行業(yè)的重視。國內(nèi)關(guān)于車橋輕量化的技術(shù)研發(fā)起步相對較晚，按照這種設(shè)定行事因此在技術(shù)上同國外相比有一定差距，我國同類型產(chǎn)品比國外平均質(zhì)量高15%左右(李明杰，陸晨曦，2020)6。針對上述方案的調(diào)試工作，本文從理論分析與實(shí)際驗(yàn)證兩個層面展開。理論分析環(huán)節(jié)，深入探討了方案設(shè)計的基本原理與預(yù)期目標(biāo)，通過構(gòu)建理論框架與邏輯推理，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。接著，在實(shí)際驗(yàn)證階段，本文精心設(shè)計了一系列實(shí)驗(yàn)，旨在檢驗(yàn)方案的有效性與穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格執(zhí)行了信息收集與分析流程，以保障結(jié)果的可靠性。同時，為了深入探索方案在不同情境下的適用性，本文還考慮了多種典型應(yīng)4用場景，并針對每種場景對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。這一過程不僅驗(yàn)證了方案的正確性與可行性，也為后續(xù)的研究提供了有價值的參考。從國內(nèi)汽車輕量化研究現(xiàn)狀來看，與國外的差距具體表現(xiàn)在以下幾個方面(陳若愚，吳雨(1)設(shè)計觀念陳舊。缺乏創(chuàng)新性思維和優(yōu)化路徑的指導(dǎo)，并且對制造新工藝的研究相對落后，不能夠?qū)⑤p量化產(chǎn)品很好的呈現(xiàn)出來。(2)對新技術(shù)的開發(fā)動力不足。因?yàn)楝F(xiàn)有的制造工藝無法大規(guī)模量產(chǎn)輕量化產(chǎn)品，導(dǎo)致其無法大規(guī)模應(yīng)用，使得研發(fā)人員的研發(fā)動力不足。(3)過分依靠以往經(jīng)驗(yàn)。在此情勢的作用下只考慮汽車零部件在靜態(tài)下的強(qiáng)度和剛度要求，然后就主觀性的修改零件的參數(shù)，這樣的輕量化方法并不能夠取得突破性效1.3本文研究內(nèi)容本文首先介紹了汽車輕量化的研究背景以及對汽車輕量化的簡單介紹，指出了汽車前軸輕量化對于提升整車性能，降低排放和經(jīng)濟(jì)效益的提升具有重要意義。通過Solidworks建立汽車前軸三維模型，而后導(dǎo)入Hyperworks有限元分析軟件中，建立有限元模型，根據(jù)汽車前軸多種行駛工況施加載荷，進(jìn)行仿真分析。然后根據(jù)仿真結(jié)果對前軸進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最終對汽車前軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并驗(yàn)證其是否滿足使用要求。以下(1)通過Solidworks建立汽車前軸三維模型，為有限元分析做準(zhǔn)備；(2)分析前軸的行駛工況，計算在不同工況條件下的受力情況；(3)將前橋三維模型導(dǎo)入Hypermesh中，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，定義材料屬性，建立前軸有限元模型；(4)運(yùn)用Hypermesh對汽車前軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，生成位移云圖和應(yīng)力云圖；(5)運(yùn)用OptiStruct對前軸進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重新設(shè)計輕量化前軸，建立輕量化前軸三維模型；(6)再次將輕量化前軸導(dǎo)入Hypermesh中，重新建立有限元模型，進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度和性能。52.1汽車前軸汽車前軸是汽車前橋重要的零部件之一，前橋總成主要包括前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷以及輪轂等，其主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示(張玉峰，李曉婷，2022)。依據(jù)文獻(xiàn)7的分類汽車前橋?qū)儆谵D(zhuǎn)向從動橋，其中汽車前軸在轉(zhuǎn)向從動橋中主要的作用是用來承受載荷。通常轉(zhuǎn)向橋位于汽車前部，所以轉(zhuǎn)向橋也被稱作前橋。轉(zhuǎn)向橋的作用，就是能夠使車輪能夠轉(zhuǎn)動一定角度，基于本文的研究基礎(chǔ)我們對這種情況予以了審視從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。在汽車行駛的不同工況當(dāng)中，前軸不僅會受到垂直載荷作用，例如在緊急制動工況和側(cè)滑工況下，還要受到縱向力與側(cè)向力以及由力造成的力矩對其的作用(王澤民，范嘉瑩，2021)。為了保持研究結(jié)論的可復(fù)制性和可推廣性，本次研究采取了多項(xiàng)措施以確保研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和普遍性。通過嚴(yán)格遵循了科學(xué)研究的方法論原則從研究設(shè)計到數(shù)據(jù)收集、分析，每一步都力求標(biāo)準(zhǔn)化和透明化。在研究設(shè)計階段明確界定了研究目標(biāo)和變量確保研究的邏輯性和可操作性。同時采用了多種數(shù)據(jù)來源和收集方法，以增加數(shù)據(jù)的多樣性和代表性，從而避免單一數(shù)據(jù)來源可能帶來的偏差。通過詳細(xì)的研究日志、數(shù)據(jù)收集和分析流程的描述，以及清晰的研究結(jié)果圖表，都有助于研究結(jié)果的6推廣。前軸作為前橋的主要承重零部件，一般有管式與鍛打式兩種結(jié)構(gòu)，在此特定情境下事實(shí)昭然若揭在前軸兩側(cè)均有一個呈拳形的加粗部分當(dāng)作裝配主銷的地方。前軸中間部位之所以相對兩側(cè)向下一定的位置，是為了降低整個重卡的重心，能夠在行駛時更加平穩(wěn)并具有更好的視野。在中間部分的兩側(cè)是板簧支座面，用來安裝鋼板彈簧及其他小本文以Solidworks三維圖形建模CAD軟件為應(yīng)用軟件，進(jìn)行汽車前軸的參數(shù)化設(shè)計和改進(jìn)工作。Solidworks是由達(dá)索公司研發(fā)的一款機(jī)械設(shè)計軟件。是世界上第一款基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，從1995年推出第一套Solidworks三維設(shè)計軟件開始，以其優(yōu)異的性能、良好的操作性和與其他系統(tǒng)的兼容性，可以由此看出為廣大用戶提供了極大地便捷，提高了設(shè)計效率，獲得了市場的廣泛認(rèn)同和廣大機(jī)械設(shè)計者的一致好評(沈浩然，朱怡婷，2019)8]。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，SolidWorks軟件也不斷推陳出新，目前已在航空航天、機(jī)車、機(jī)械、國防、交通、電子通信、醫(yī)療器械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[91。SolidWorks可以根據(jù)零件參數(shù)、特征和約束進(jìn)行三維實(shí)體的建模，并且通過建模生成的零件和裝配體可以生成二維零件圖和裝配圖，從這些表現(xiàn)可以推測出并且尺寸和約束都是一—對應(yīng)的關(guān)系(曹云飛，方文潔，2023)。這一結(jié)果與已有文獻(xiàn)的相似性，不僅驗(yàn)證了前期研究的正確性，還進(jìn)一步突出了該領(lǐng)域研究的連續(xù)性和累積性。它提醒本文，科學(xué)研究是一個不斷迭代、逐步深化的過程?；谶@一發(fā)現(xiàn)，本文可以更有信心地推進(jìn)后續(xù)研究，探索新的假設(shè)、設(shè)計更精細(xì)的實(shí)驗(yàn)，以期在該領(lǐng)域取得更加突破性的進(jìn)展。除了建模，SolidWorks還可進(jìn)行運(yùn)動仿真、數(shù)控加工，有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化等功能，為機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域提供了非常強(qiáng)大的應(yīng)用基礎(chǔ)。SolidWorks的功能特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾(1)可視化界面，操作簡單。SolidWorks是基于Windows平臺開發(fā)的三維建模軟件，其不僅具有Windows系統(tǒng)的常用功能，依此背景而定而且適用范圍廣，并且SolidWorks全面支持中文界面，對于初學(xué)者來說十分友好，簡單易上手。(2)裝配體設(shè)計。SolidWorks中的三維裝配功能可以按照各個零件之間的位置關(guān)系進(jìn)行約束裝配，生成的裝配體可以檢查其靜，動態(tài)干涉情況，設(shè)計者可以隨時進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。7(3)簡單的工程圖轉(zhuǎn)化。SolidWorks可以根據(jù)三維模型自動生成二維工程圖，并且具有關(guān)聯(lián)性，當(dāng)零件三維圖或裝配體的某一特征發(fā)生改變時，對應(yīng)的二維工程圖也會發(fā)生改變(鄭昊天，魏琳娜，2021)。在工程圖中，可對各種尺寸進(jìn)行標(biāo)注，還可生成各種剖面圖以及局部放大圖。(4)豐富的設(shè)計功能。SolidWorks是以特征建模為特色的軟件，先進(jìn)行草圖設(shè)計，通過拉伸、放樣、旋轉(zhuǎn)等命令生成零件模型。還可進(jìn)行曲面建模，鈑金設(shè)計等復(fù)雜曲面設(shè)計，它集成了CADICAM\CAE功能，根據(jù)這一背景能夠?yàn)闄C(jī)械的研發(fā)設(shè)計和制造生產(chǎn)提供全面的解決方案。(5)接口豐富，可拓展性強(qiáng)。SolidWoIGES、STEP等格式的文件，能夠和其他CAD軟件，例如UG、CATIA、PRO/E等進(jìn)行同時提供了上萬個API函數(shù)用定制開發(fā)所需的功能，二次開發(fā)支持VC,VB等多種程序語言，可以適應(yīng)不同用戶的開發(fā)基礎(chǔ)[11?！?.3前軸模型的建立本文針對某款商用車前軸進(jìn)行輕量化研究。該前軸采用整體式結(jié)構(gòu)，由拳部、彎脖、板簧座、工字梁四個部分組成(陳思遠(yuǎn)，李晨曦，2020)。考慮到這種背景前軸的拳部通過主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，板簧座用來固定鋼板彈簧。由于前軸的上方布置了發(fā)動機(jī)，前軸的工字梁和板簧座均位于主銷下方，起到了降低重心的作用。某款商用車前軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2所示。在進(jìn)行前軸建模時，考慮到后期建立有限元模型，防止一些不重要的部分影響網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)而影響計算結(jié)果，在此類條件中所以對前軸的三維模型進(jìn)行了簡化處理(張逸凡，王靜怡，2023)。同時，簡化后的模型依然要較為全面的反映出前軸的實(shí)際情況，避8免因過度簡化而導(dǎo)致最終結(jié)果失去真實(shí)性。在后續(xù)的研究中會對已有的研究成果進(jìn)一步從不同的角度進(jìn)行優(yōu)化，會綜合考慮理論框架、方法學(xué)改進(jìn)、實(shí)證研究的深化以及跨學(xué)科的合作。首先，在理論框架方面，將致力于整合最新的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和理論進(jìn)展，以提供更為全面和深入的理解。其次，針對方法學(xué)上的不足，研究人員計劃引入或開發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)與工具，以提高數(shù)據(jù)收集、處理及分析的精確性和效率。簡化后的前軸的三維模型如圖2.3所示，在此特定狀態(tài)下前軸部分關(guān)鍵部位截面如圖2.4所示(徐俊宇，趙月婷，該前軸采用42CrMo鑄造而成，SolidWorks軟件可定義零件的材料屬性，也可計算零件的質(zhì)量，經(jīng)計算，該前軸的質(zhì)量為95.55Kg。按照這種設(shè)定行事前軸作為重要的承載部件，對力學(xué)性能要求極高(郭文昊，劉梓晴，2022)。從上可以可以看出該方案相比于其他方案具有更好的性價比，同時它在安全性方面的加強(qiáng)也是不可忽視的一點(diǎn)。增強(qiáng)的數(shù)據(jù)保護(hù)措施和隱私管理功能能夠有效防止信息泄露，確保用戶的個人信息安全。因此，93.1有限元法基本理論在工程實(shí)際中由于物體本身的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，實(shí)際運(yùn)行中遇到的工況較多，導(dǎo)致作用在其上的載荷和約束較為復(fù)雜，以及某些問題具有一些非線性特征使其往往很難用數(shù)學(xué)公式模擬其上的邊界條件，在此情勢的作用下因此對于結(jié)構(gòu)的分析是往往是很復(fù)雜的(朱晨陽，趙琳琳，2021)。工程人員希望能夠用一種方法來盡可能還原問題的各種實(shí)際狀況，嘗試尋求近似的數(shù)值解。因此，人們在廣泛吸收大量力學(xué)理論和現(xiàn)代數(shù)學(xué)的同時，基于本文的研究基礎(chǔ)我們對這種情況予以了審視依靠飛速發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)來模擬各種現(xiàn)實(shí)狀況，以此來獲得滿足工程要求的數(shù)值解，這就是數(shù)值模擬技術(shù)。目前在工程技術(shù)領(lǐng)域上常用的數(shù)值模擬方法主要有有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法有限元法是通過對一個零件三維實(shí)體劃分成許多“單元格”,每個單元格都具有不同的形態(tài)，這些不同形態(tài)的單元格結(jié)合成整個零件實(shí)體，即這是一個由合到分，再由分到合的一個過程(黃澤宇，孫靜宜，2023)。在此特定情境下事實(shí)昭然若揭如果在劃分單元格的尺寸足夠小，其尺寸可忽略的話，可將單元格視為一個節(jié)點(diǎn)。通過對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，然后將所有節(jié)點(diǎn)的受力進(jìn)行整合，得到整個零件的受力情況13]。3.2有限元軟件介紹HyperWorks是由美國澳汰爾(Altair)公司開發(fā)的一款CAE軟件，內(nèi)部包含了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的各種工具，因其具有強(qiáng)大的性能和高度的開放性，得到了越來越多工程師的認(rèn)可。該軟件配備18大功能模塊，可以由此看出可用來解決不同種類的實(shí)際工程問題，很好的滿足當(dāng)前CAE發(fā)展趨勢[14]。其頂尖的有限元前、后處理工具，在很大程度上提高了工程師的工作效率(周子豪，李思悅，2021)。這一優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果源自于對現(xiàn)有狀態(tài)的細(xì)致解析以及對已有資源和技術(shù)的全面應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的處理方式，本方案在諸多核心領(lǐng)域展示了突出的優(yōu)勢。首先，通過采取更為先進(jìn)的設(shè)計理念，它實(shí)現(xiàn)了工作效能的提升和錯誤概率的下降，從而極大提高了任務(wù)完成的概率。再者，從節(jié)省成本的角度看，新的解決方案有效地減少了運(yùn)作和維護(hù)的成本，減少了不必要的資源消耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。此外，它還加強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性，使系統(tǒng)能夠更靈活地適應(yīng)未來的發(fā)展趨勢和需求變動。其中HyperMesh為前處理器，能夠建立各種復(fù)雜的有限元模型；OptiStruct內(nèi)含有限元求解器，是非常先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工具，從這些表基于Hyperworks的前處理軟件Hypermesh強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，因此選用將SolidWorks生成的三維模型導(dǎo)入Hypermesh中，由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)入的某些幾何數(shù)據(jù)出現(xiàn)了丟失的情況，須要對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸缀涡迯?fù)和幾何清理。修復(fù)完成后，進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分(王翔宇，李璐瑤，2019)。2D網(wǎng)格劃分完成之后，必須進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，將不合格的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整修復(fù)，依此背景而定直到所有2D網(wǎng)格質(zhì)量全部合格。之后再進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。雖然六面體網(wǎng)格計算誤差和計算量相較于四面體網(wǎng)格都比較小，但是幾何結(jié)構(gòu)必須是映射體，而前軸的形狀復(fù)雜，雖然理論上可以形成映射體，但是難度較高，且六面體網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況下容易產(chǎn)生錯誤，依此背景而定而四面體網(wǎng)格已經(jīng)能夠滿足計算要求，因此本次計算采用了四面體網(wǎng)格(彭子軒，王怡然，2020)[161。最后生成170503個節(jié)點(diǎn)、827262個單元，網(wǎng)格質(zhì)量檢查合格，網(wǎng)格劃分好之后的有限元模型如圖3.1所示。3.4有限元分析汽車在實(shí)際行駛過程中，會遇到各種狀況，前軸不僅會受到垂向力，還會受到縱向力和側(cè)向力，致使前軸受力情況比較復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)[171,根據(jù)這一背景將汽車行駛過程中遇到的危險工況分為三種，分別是側(cè)滑工況、通過不平路面工況、以及緊急制動工況。(1)緊急制動工況當(dāng)汽車在滿載的情況下高速行駛時進(jìn)行緊急制動，汽車會向前傾，質(zhì)心前移。這時前軸所承載的質(zhì)量將大于靜止?fàn)顟B(tài)下的承載質(zhì)量。在進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時，重點(diǎn)放在了成本效率和解決方案的普適性上，從而相對于初始版本，從多個角度進(jìn)行了升級。首先，通過去掉多余的工序、選擇更高性價比的替代方案，大幅削減了實(shí)施成本，使得方案更顯經(jīng)濟(jì)性。與此同時，為了擴(kuò)大其推廣范圍，在設(shè)計過程中全面考慮了不同地域和背景下的實(shí)用性，確保該方案在多樣化的環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作，便于他人模仿應(yīng)用。并且由于慣性，板簧座還會受到來自縱向方向的力(李宇航，王雪兒，2023)?？紤]到這種背景設(shè)左右板簧座各受到垂向力為Z?1、Z?r,受到縱向力為X?1、X?r。此時前軸的受力情況如圖式中，G為前軸的靜滿載軸荷；m?為緊急制動時質(zhì)量分配系數(shù)，取m?=1.5;φ為路面的附著系數(shù)，取φ=0.8。(2)側(cè)滑工況當(dāng)汽車在高速行駛的狀態(tài)下，假設(shè)其突然向右轉(zhuǎn)向，則汽車會受到一個較大的橫向橫向力為Y??、Y?r,且左右板簧座所受垂向力的關(guān)系為Z?L>Z?r。在此類條件中此時前軸的受力情況如圖3.3所示。當(dāng)汽車要向左發(fā)生側(cè)翻時，右側(cè)輪胎即將離開地面，處于側(cè)滑工況最危險的極限狀態(tài)。此時Z?i=G,Z?r=Y2r=0。作用于左側(cè)板簧的橫向力Y??為(楊其中，φ為滑動附著系數(shù)，取φ=1.0。(3)通過不平路面工況前軸會遭受很大的沖擊，此時可忽略其他方向的作用力，只考慮垂向載荷的作用(劉明度，在進(jìn)行設(shè)計時都選用了比較大的載荷，本文中某重型汽車前軸的靜滿載為7T,各載荷緊急制動根據(jù)前軸工況與不同工況下的極限狀態(tài)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，在Hypermesh中設(shè)置前軸在3種工況下載荷及約束，在此情勢的作用下具體的設(shè)置如下(周晨風(fēng)，吳潔文，(1)緊急制動工況。約束前軸兩端的主銷孔x、z方向的位移自由度，y、z方向的轉(zhuǎn)動自由度；在左右兩個板簧座面上施加兩個垂向力Z?1、Z?r;在板簧座螺栓孔處施加八個縱向的力X?/4。(2)側(cè)滑工況。約束前軸兩端的主銷孔x、z方向的位移自由度，y、z方向的轉(zhuǎn)動自由度(郭澤宇，趙子瑤，2021);在左側(cè)板簧座面上施加一個垂向力Z?1;在左側(cè)板簧座螺栓孔處施加四個縱向的力Y??/4。(3)通過不平路面工況?；诒疚牡难芯炕A(chǔ)我們對這種情況予以了審視約束前軸兩端的主銷孔x、z方向的位移自由度，y、z方向的轉(zhuǎn)動自由度；在左右兩個板簧座上施加兩個垂向力Z?I、Z?ro已知該前軸所用的材料為42CrMo,毛坯經(jīng)過淬火和高溫回火處理，前軸的材料特性如表3.2所示。按材料特性的數(shù)據(jù)在Hypermesh中設(shè)置材料常數(shù)并賦予單元材料屬性，之后提交OptiStruct進(jìn)行運(yùn)算。本文參考已有方法制定了計算框架，并對其進(jìn)行簡化，以提升其實(shí)用性和可行性。通過深入解析現(xiàn)行方案，找出并移除了那些復(fù)雜而不必要的步驟，優(yōu)化了整個流程，建立了一個更為簡單而高效的計算模型。這一舉措不僅減少了所需資源，而且縮短了處理時長，在保留原有性能的同時，使方案更容易被采納和推廣，引入了若干驗(yàn)證和質(zhì)量保障措施。彈性模量泊松比ε密度屈服極限抗拉強(qiáng)度當(dāng)汽車處于緊急制動工況時，在此特定情境下事實(shí)昭然若揭前軸的應(yīng)力云圖及位移變形云圖如圖3.5與3.6所示。在此工況下，由于承受縱向力的板簧螺栓孔為受力最大部位。所以最大應(yīng)力也出現(xiàn)了前軸板簧螺栓孔的周圍，應(yīng)力最大值為531.7MPa。最大變形量發(fā)生在工字梁的中間，最大值為8.35mm。應(yīng)力與位移均呈左右對稱分布(張宇杰，YXSubcase1(zhidong):StaticAnYX皂Subcase1(zhidong):Static當(dāng)汽車處于側(cè)滑工況時，依此背景而定前軸的應(yīng)力云圖及位移變形云圖如圖3.7與3.8所示。該工況下，由于左右板簧座載荷不對稱，因此應(yīng)力分布也不對稱(黃逸凡，張雅婷，2023)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸頸部位，最大值為139MPa,最大變形量主要位于左側(cè)板簧，最大值為0.63mm。AnalysissystemSubcase2(cehua):StatAnalysissystemYXSubcase2(cehua):StaticAnalysis汽車通過不平路面時，前軸的應(yīng)力云圖及位移變形云圖如圖3.9與3.10所示。由于該工況下，汽車前軸只受垂向力的作用，根據(jù)這一背景且左右板簧座受力大小相等，因此應(yīng)力與變形均呈對稱分布(王宇翔，孫婧瑤，2019)。最大應(yīng)力部位出現(xiàn)在主銷孔，最大值為345MPa,工字梁中間部位變形量較大，最大變形量為1.55mm。Subcase3(buping):StaticAnalysis:FrameAnalysissystemYSubcase3(buping):StaticAnalysis:Frame根據(jù)以上結(jié)果可知，前軸在緊急制動工況下受到的應(yīng)力和位移最大，最大應(yīng)力為531.7MPa,最大位移為8.35mm,考慮到這種背景而前軸所用材料的屈服極限為930MPa,遠(yuǎn)小于其材料的許用應(yīng)力，該前軸的可輕量化的空間很高(陳云哲，陸小雪，2021)。4.前軸結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計4.1拓?fù)鋬?yōu)化模型介紹法的設(shè)計變量為相對密度，其變化范圍在0~1之間，相對密度與材料的彈性模量相關(guān)。處相對密度趨近于0時，該處的彈性模量也為0,代表此處材料可去除；文中闡述的數(shù)性。當(dāng)某處相對密度趨近于1時，該處的彈性模量為材料本身的彈性模量值，代表此處針對前軸的拓?fù)鋬?yōu)化，需要定義其設(shè)計空間，設(shè)計空間的定義如圖4.1所示，將板圖4.1定義設(shè)計空間之后，將藍(lán)色區(qū)域創(chuàng)建為設(shè)計變量，設(shè)計變量的定義如圖4.2所示；約束條件設(shè)置為承受最大應(yīng)力650MPa,約束條件的設(shè)置如圖4.3所示(朱俊凱，許欣瑤，2020)。desvar=topopropsmaxmemboff●最后定義設(shè)計目標(biāo)，在此情勢的作用下本次設(shè)計的目的是汽車前軸輕量化，因此選擇了在滿足約束條件下，將質(zhì)量最小化，設(shè)計目標(biāo)的設(shè)置如圖4.4所示。minmin在完成上述優(yōu)化設(shè)置后，此時已經(jīng)可以進(jìn)行優(yōu)化計算了，但是為了計算出的結(jié)果更加規(guī)整，又施加了一些對稱約束，基于本文的研究基礎(chǔ)我們對這種情況予以了審視使拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果左右對稱。完成所有設(shè)置后，提交OptiStruct求解器進(jìn)行求解計算(李軒陽，4.3優(yōu)化結(jié)果分析與工程詮釋本次優(yōu)化得到的目標(biāo)迭代曲線如圖4.5所示，由圖4.5我們可以得知，本次優(yōu)化經(jīng)過了35次迭代計算，并在后期逐漸趨于穩(wěn)定，可以由此看出體現(xiàn)出了較好的收斂性，也可證實(shí)此次的優(yōu)化設(shè)計較為可行，優(yōu)化結(jié)果較為準(zhǔn)確(陳俊宇，趙雨晨，2023)。得到的拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖如圖4.6所示。圖中，紅色部分的表示相對密度接近1的高密度區(qū)，顏色越深越能凸顯出該部位的重要性，從這些表現(xiàn)可以推測出不可去除材料(沈子昂，李慧瑤，2020);藍(lán)色部分表示相對密度接近0的低密度區(qū)，表明該部位可優(yōu)化的空間較大，可以去除或者減少材料。從對前軸的優(yōu)化結(jié)果可以看到，在工字梁以及彎脖部位藍(lán)色區(qū)域較大，說明這兩個部位的相對密度較小，有較大的優(yōu)化空間(賈旭東，吳怡瑤，2021)。依此背景而定考慮到前軸作為軸類零件，需要承受扭矩，因此工字梁的上部和下部不宜進(jìn)行過多的優(yōu)化?；谇拜S在正常行駛中的實(shí)際情況以及考慮到優(yōu)化后對前軸結(jié)構(gòu)的美觀的影響，故在前軸工字梁中間進(jìn)行對稱鏤空，得到3個孔，并進(jìn)行平滑處理，以防產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，考優(yōu)化后的前軸仍可采用常規(guī)的鍛造工藝進(jìn)行加工，工字梁中間的鏤空設(shè)計可通過終鍛成形的工藝實(shí)現(xiàn)。初步設(shè)計出的優(yōu)化后前軸的三維模型如圖4.7所示。對前軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，經(jīng)計算前軸的質(zhì)量由原來的95.55Kg減輕到了90.41Kg,質(zhì)量在原有基礎(chǔ)上減輕了5.14Kg,所減去的質(zhì)量為原來前軸質(zhì)量的5.4%。5.前軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化性能分析將優(yōu)化后的前軸三維模型再次導(dǎo)入Hypermesh中建立有限元模型，設(shè)置前軸在3種工況下載荷及約束，進(jìn)行靜力學(xué)仿真。當(dāng)汽車處于緊急制動工況時，優(yōu)化后的前軸的應(yīng)力云圖及位移變形云圖如圖5.1與5.2所示(高云飛，孫芷晨，2021)。優(yōu)化后的前軸應(yīng)力最大部位和變形量最大部位大致相同，在此類條件中但是數(shù)值有所增加，優(yōu)化后的前軸輕量化后最大應(yīng)力為788MPa,低于前橋所用材料的屈服強(qiáng)度930Mpa,不會影響前軸的力學(xué)性能。最大變形量為9.40mm。XzSubcase1(zhidong):StaAnalysissystemYXzSubcase1(zhidong):Sta當(dāng)汽車處于側(cè)滑工況時，優(yōu)化后的前軸的應(yīng)力云圖及位移變形云圖如圖5.3與5.4所示。在此特定狀態(tài)下優(yōu)化后前軸的應(yīng)力分布與變形量分布與優(yōu)化前對比發(fā)生了一些變化，應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在了工字梁中間鏤空結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力為451.4MPa,最大變形量為0.845mm。AnalysissystemYXSubcase2(cehua):StaticAnalysis:Frame25AnalysissystemYXZSubcase2(cehua):StaticAnalysis:Frame25當(dāng)汽車處于通過不平路面工況時，優(yōu)化后的前軸的應(yīng)力云圖及位移變形云圖如圖5.5與5.6所示(薛宇峰，馬思敏，2021)。按照這種設(shè)定行事優(yōu)化后前軸應(yīng)力分布與變形量分布與優(yōu)化后前大致相同，優(yōu)化后最大應(yīng)力為695MPa,最大變形量為1.65mm。ElementStresses(2D&3DSubcase3(buping):StaticAnaAnalysissystemYXSubcase3(buping):StaticAnalysis:Frame25相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的前軸在各個工況下的應(yīng)力均有所提高，最大應(yīng)力發(fā)生在緊急制動工況下，為788MPa,在此情勢的作用下未超出材料的屈服極限，靜強(qiáng)度設(shè)計滿足要求。優(yōu)化前、后前軸在各工況下應(yīng)力與變形量結(jié)果統(tǒng)計如表5.1所示。前軸優(yōu)化前后，應(yīng)力變化量最大為350MPa,發(fā)生在通過不平路面工況下，變形量最大量為1.05mm,發(fā)生在緊急制動工況下，滿足前軸剛度設(shè)計要求。力大應(yīng)力量大位移緊急制動6.總結(jié)與展望本文運(yùn)用有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，開展了汽車前軸結(jié)構(gòu)分析與輕量化設(shè)(1)通過分