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汽车空气弹簧支架的优化设计

汽车空气弹簧支架的优化设计 2011年12月03日 来源： Solidworks作为国际上主流的设计软件，除自身提供了便捷的三维设计、装配和工程图等功能外，还集成了较多CAD／CAE／CAM应用方面的解决方案，这样便于设计人员在SolidWorks统一的软件界面下，完成整个产品的结构设计、性能分析和加工制造等产品设计验证与制造的开发流程。 下面是SolidWorks COSMOS在汽车行业的一个分析案例。汽车空气悬架系统采用空气弹簧代替传统的钢板弹簧，可以大幅度提高整车的舒适性、平稳性和操纵性。笔者在对国内某款车型进行空气悬架改装时，应用SolidWorks软件进行产品三维设计、装配及干涉检查，同时采用其集成的有限元分析软件COSMOSWorks进行多个关键零件部件的结构分析与优化，有效保证了产品质量，整个设计周期缩短了30%；最终实现装车一次成功。面向设计的优化流程本文以空气弹簧某支架的优化设计为例，介绍其在SolidWorks中的优化过程。1．设计要求(1)在满足空气弹簧工作空间要求的同时，不得与周边物体有装配干涉和运动干涉； (2)结构的静强度满足气囊最大承载能力的要求。 对于要求(1)，可以利用SolidWorks的三维造型和装配体的干涉检查等功能完成。如果结构复杂，且运动状态不易判断，还可以借助SolidWorks的物质动力功能或者集成的运动仿真软件 CMOSMotion来完成，这里不做介绍。 2．分析过程 首先利用SolidWorks的三维造型功能，确定空气弹簧支架的基本结构，如图1所示。该支架的材料为Q345B，厚度均为6mm，零件质量为3.56Kg；然后利用COSMOSWorks进行静强度的分析，对设计进行验证。由于任何分析软件都无法做到真实工况的仿真模拟计算，所以在建立研究课题前，我们会找出影响该部件的主要约束条件及载荷。COSMOSWorks在分析前处理阶段所提供的参数设定非常丰富，基本满足大多数的案例分析：同时在模型网格划分即离散化处理方面更加智能，无须手工调整网格，并且具有快速的结算能力。

在空气弹簧最大工作载荷作用下，支架的最大应力为559MPa (见图2) ，最大位移为3．6mm(见图3)。而材料Q345B的许用应力要求不得超过280MPa，焊缝区域小于230mm。因此，基本结构的应力计算值已是材料许用应力的2倍，必须对结构进行强度优化。根据设计经验，我们首先将板材厚度由6mm增加到8mm(板材10mm厚已没有布置空间，不再考虑），重新计算，两者之间基本结构强度的分析对比见表1。当板材厚度增加到8mm厚时，其计算结果分别如图4、图5所示。

可以看到，其强度仍然不合格，则需对结构进行空间的拓朴优化。根据设计经验，首先要抑制结构的变形，由于其上部盖板为直接承载部位，变形较大，需要增加结构抑制其变形。因此分别对板厚6m m、8m m的化结构进行强度计算。两者的应力计算分析结果如图6、图7所示，其中这两种结构的计算结果对比如表2所示。

在拓朴优化多种方案的对比中，我们发现8m m板材的结构尽管强度合格，且应力分布较为均匀，其最大计算应力为212MPa，说明材料强度较为宽裕；而6mm板材的结构虽然强度不合格，其最大计算应力为374MPa，但是该点属于应力集中点。根据弹性力学论，在尖角处应力无穷大，所以此处应力计算值发散、不真实。并且，应力云图中很少有高应力区域，说明该结构可以进一步优化。我们最后确定结构方案是板厚为6mm，其计算结果分别见图8、图9，主要计算数据如表3所示。

结论 该结构的空间安装示意图如图10所示，该结构的特点是变形较小，质量较轻，应力分布较为均匀，说明材料强度的利用较为充分、合理。在这个分析项目中，我们通过计算选择出了一个较好的设计方案，既减少了材料用量，又满足了强度要求，这在整车设计中非常重要，因为整车装备重量的降低意味着钢材料的成本节约，同时又提升了整车的动力性能，减少能耗。在目前原材料价格上涨及能源紧张的市场条件下，可以最大化地节约制造与使用成本。另外，上述结构的分析对比，笔者是在半天时间内完成的。可以说如果没有SolidWorks软件强大的造型功能和COSHOSWorks快速的工程仿真分析特点，以及二者完美的集成，笔者是很难在这么短的时间内完成这些设计任务。目前，COSMOSWorks除了可以解决静强度分析外，还具有振型和频率分析、温度场分析、大变形非线性分析和疲劳分析等功能，在产品设计中均具有广泛的应用。(end)

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