solidThinking Inspire在車輛板簧支架設計中的應用

摘要：傳統的產品設計往往只注重其本身的功能需求，忽視產品的性能，使之可靠性得不到有效的保證。文章利用Altair公司有限元軟件HyperWorks中的solidThinking Inspire工具建立了車輛板簧支架的拓撲空間，之后進行了工況載荷的定義，最后將質量目標定義為20%，得到整個拓撲概念模型，進而在三維設計軟件中進行詳細結構設計，讓整個產品開發實現由功能向性能的跨越。

1 前言

工程師在產品設計前，一般會在腦海里生成一個產品的雛形，進而勾勒出整個產品的大致模樣，這個階段可以稱為概念創意階段，接下來會考慮產品的功能性，滿足零件的裝配及使用情況，但往往對產品的性能欠考慮，使得產品在使用過程中可靠性得不到保障。如今，借助CAE仿真分析工具，工程師不僅能在設計階段考慮到產品的外形，同時也能滿足產品的性能要求，讓產品設計的魅力由內而外充分體現。

2 板簧支架設計背景

車輛前板簧后支架是重型車固定前板簧后部卷耳的支架，受到來自板簧方面的載荷，較容易受到破壞，所以對其強度要求很高；近年來車輛輕量化的呼聲愈來愈高，所以各類鑄件支架等都要求在滿足強度要求的情況下質量最小，因此在工程概念設計初期，非常有必要對其進行優化設計，以達到強度和輕量化要求。

在車輛前板簧后支架概念設計階段，為了快速獲得優秀的產品雛形，利用Inspire進行其優化工作，下面將詳細介紹利用Altair公司優化工具solidThinking Inspire進行車輛板簧支架從概念創意到實際工程應用的整個過程。

3 板簧支架優化設計

3.1 初始設計空間

在設計開始之前，設計師通過創建模型外觀邊界的三維實體來構思造型，這個邊界所包含的體積我們稱為設計空間，所有Inspire優化后的形態都包含于這個設計空間里。鑒于支架與車架的安裝連接關系，以及支架與板簧卷耳的位置和安裝關系，車輛前板簧后支架的初始設計空間定義如圖1所示，其中六個小孔為支架與車架的安裝孔，下面兩個大孔為支架與卷耳的安裝空位。

3.2 工況定義

由于要考慮到工程實際應用，所以必須對部件的工作狀況進行定義，只有這樣，solidThinking Inspire優化出來的結構才能滿足實際工作需要。根據該型車前板簧后支架在車輛中的實際作用，定義了3個工況，分別為：

（1）垂向靜態工況

車輛在平穩或靜止狀態下，受力情況為：Fz=3.24t；

（2）制動工況

車輛行進過程中制動，受力情況為：Fz=3.24t，Fx=0.35×3.24t；

（3）轉彎工況

車輛在轉彎過程中，受力情況為：Fz=3.24t，Fτ=0.2×3.24t；

其中：3.24t為單個板簧支架所承受的來自車輛軸端的載荷，以上下標x、y、z均為車輛整車坐標，x正方向為車輛行駛相反方向，z正方向為車輛向上的方向，y向為車輛左右方向。

3.3 約束與載荷

3.3.1 垂向靜態工況

與車架連接的6個安裝孔約束其三個移動副，3個轉動副放開；與卷耳連接的兩個孔各施加1.62t的載荷，如圖2所示。

3.3.2 制動工況

與車架連接的6個安裝孔約束其三個移動副，3個轉動副放開；與卷耳連接的兩個孔各施加Z正向1.62t的載荷，另外施加X負向0.35×3.24t載荷，如圖3所示。

3.3.3 轉彎工況

與車架連接的6個安裝孔約束其三個移動副，3個轉動副放開；與卷耳連接的兩個孔各施加Z正向1.62t的載荷，另外施加Y負向0.2×3.24t載荷，如圖4所示。

3.3.4 形狀控制

板簧支架過卷耳安裝孔中心，在X方向左右對稱，設置該部件在YZ平面兩側對稱，如圖5所示。

3.4 優化設計

優化分析之前，首先定義其設計空間和非設計空間，由于各個安裝孔是用來固定支架的，位置和形狀基本不變，所以可優化的空間為整個初始設計空間除安裝孔以外的部分，也就是圖中綠色區域顯示的部分，將其定義為設計空間，之后其模型顏色變為褐色，如圖6所示。

約束載荷及然后設置其優化目標，這里設置其目標質量為20%，由于是概念設計階段，所以材料采用系統默認的AISI 304，其他采用系統默認，如圖7所示。

根據之前的優化設置，在HP Z800圖形工作站運行8分鐘后得到優化結果，優化后的概念創意設計如8圖所示。

根據之前Inspire優化后的概念雛形，結合支架與車架及板簧的連接關系，以及零件制造及工藝性的要求，獲得最終結構創意設計如圖9所示。

4 結論

將最終的創意設計結構體現在實際工程中，與車輛的板簧及車架連接，如圖10所示，整個創意設計過程可以用圖11來表示。

通過solidThinking Inspire進行結構設計，使材料在零件的布置更加合理，克服了以往靠經驗設計，僅考慮零件的功能性需求，忽視其可靠性的缺陷。通過Inspire的優化設計，不僅可以很好的布置其材料分布，而且節省不必要的材料應用，既提高工作效率，也實現了生產成本的降低。