汽車實用技術(shù)20 13年第9期設(shè)計研究AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY13 NO.9新型真空筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化葉飛(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230601)摘要:本文詳細地介紹了某車型不規(guī)則塑料真空簡的設(shè)計過程，并以實車驗證為依據(jù)，證明了理論模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性，為儲能產(chǎn)品的設(shè)計提供一定的參考和指導作用。關(guān)鍵詞:塑料;真空筒;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;儲能中圖分類號: 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(guī)則的真空簡則難以通過傳統(tǒng)的鈑金沖壓工藝引言實現(xiàn)，而目前常見的儲能產(chǎn)品主要為兩種材質(zhì)，一種是金屬真空簡是液壓制動系統(tǒng)中用來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(shè)計一款結(jié)構(gòu)可靠的不規(guī)則有稱之為真空罐。其儲存的真空可在車輛行車制動時，為真塑料真空筒成為擺在設(shè)計人員面前的-一個難題， 下 文則將通空助力器提供足夠的真空以滿足頻繁制動的需求。真空簡多過某一-輕型客 車塑料真空簡的開發(fā)案例，介紹塑料材質(zhì)真空見于輕型商用車上,而很少應用到乘用車上。其主要原因是:筒從結(jié)構(gòu)設(shè)計到強度優(yōu)化以及試驗驗證的開發(fā)過程，為同類-般乘用車的總質(zhì)量較小，制動時所需的真空較少，即使是型產(chǎn)品的開發(fā)提供指導性建議。頻繁的制動，真空泵的抽取速度基本都能滿足要求，而商用1、某車型塑料真空筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計車的總質(zhì)量較大，其制動時所需的真空相對較多，頻繁制動時，若不匹配真空簡，真空泵的抽取速度難以跟上消耗速度，1.1 概述會降低真空助力器助力的助力效果，尤其在山路下坡時，會在某輕型客車開發(fā)過程中，由于發(fā)動機較大，導致發(fā)艙因為整車慣性較大，產(chǎn)生安全隱患。內(nèi)空間狹小，難以布置下一個6L大小的真空筒，即使勉強隨著越來越多的新車型的開發(fā),發(fā)艙的布置會不盡相同。布置下， 也會影響發(fā)艙散熱，產(chǎn)生熱害風險，所以需要將真當某些車型的發(fā)艙空間難以存放一-個 規(guī)則的固定容積的真空空簡 移至發(fā)艙外布置。最終經(jīng)過綜合考慮決定將真空簡布置簡時，將真空簡設(shè)計成不規(guī)則形狀會成為-一種需求。目前傳在右前輪包下， 由于布置位置特殊，真空簡形狀無法設(shè)計成統(tǒng)的真空簡都是通過鈑金沖壓生成上下兩個簡體，然后將上傳統(tǒng)的圓簡狀或方 盒狀，造型相對奇特;而受造型影響，傳下簡體以及附屬的支架等焊接在一起，如此就行成了真空簡統(tǒng)的鈑 金沖壓件工藝難以實現(xiàn)，因此該真空簡最終采用了塑料材質(zhì)。上下簡中國煤化工簡體通過熱板作者簡介:葉飛，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。焊接成一體，如1MHCNMHG2014年第9期葉飛等:新型真空筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化1.2原始方案存在凹陷現(xiàn)象，并在三臺可靠性樣車行駛至12000KM 左右均出現(xiàn)了凹陷面開裂漏氣故障。針對此問題，通過其他結(jié)構(gòu)0型產(chǎn)品的設(shè)計引入CAE結(jié)構(gòu)分析工具對原始方案進行理論模型的強度校核，并對市場上某成熟鐵質(zhì)真空簡進行對比，設(shè)定合理的性能目標，對該塑料真空簡進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除不合理的設(shè)計因素。1.3性能目標設(shè)定該塑料真空簡具體材質(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)，真空簡所受負壓為95KPa。對原始方案進行圖1真空筒上簡體CAE分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示;對成熟鐵質(zhì)真空簡進行分析，分析結(jié)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，該真空簡設(shè)計成類似菱形的形狀，如圖1所示，分為上下簡體結(jié)構(gòu)，分別如圖2和Max=5483Eoreace Max. Vaule= 5圖3所示，其整車布置示意圖如圖4所示。在初次設(shè)計此種中國煤化工不規(guī)則塑料真空簡時，缺少相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的案例指導，導致按此方案開發(fā)的真空簡實物在裝車后即發(fā)現(xiàn)靠近輪胎的一面MYHCNMH G .5:汽車實用技術(shù)2014年第9期DisplacemetaeMael EISCBATCEHMNG u對原始方案結(jié)構(gòu)模型進行分析，原始方案強度較弱區(qū)域Analysis&eleAsE 1= STEP. _95KPA : Simulation 1如圖9所示，與實際故障相符，主要是因為此區(qū)域為平面。Frame1-2.163E-01過棱邊中點的截面反映此區(qū)域的幾何特征。線段1.3構(gòu)成一個截面，線段2、 4構(gòu)成- -個截面。1 與3之間、2與4之間的夾角均為180度。要提高該區(qū)域的強度，可以通過將棱邊中點向外移動來實現(xiàn)，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(chǔ)上，將棱邊中點向外移動12mm做優(yōu)Node 14613化嘗試，CAE分析結(jié)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(jié)論:由以上CAE分析可知:該塑料真空簡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)真空簡的的最大應力和最大位移均是較小的。因此根據(jù)鐵質(zhì)真空簡- 790強度水平，結(jié)合塑料真空簡確實存在的結(jié)構(gòu)差異，將該塑料真空簡的結(jié)構(gòu)性能目標定在:最大應力小于30MPa，最大位移與鐵質(zhì)真空簡保持同-一量級，即小于1mm。1.4結(jié)構(gòu)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同樣將棱邊中點向外移動24mm，做嘗試對比，CAE分析結(jié)果如13和圖14 所示。24- -1 02+20e Viue- 1947圖9分析簡圖圖13優(yōu)化方案 2位移云圖中國煤化工TYHCNMHG圖10中點外移圖14優(yōu)化方案 2應力云圖2014年第9期葉飛等:新型真空簡的結(jié)構(gòu)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，將棱邊中點向外移動可有效提升該真空簡的結(jié)構(gòu)強度，但單純的移動棱邊中點還無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(shù)結(jié)構(gòu)型產(chǎn)品設(shè)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行優(yōu)化，首先考慮的就是增加加強筋的厚度，因此根據(jù)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(chǔ).上再將內(nèi)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(jié)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，通過移動棱邊中點和增加內(nèi)部加a Valbee 1.947強筋厚度可有效提升該真空筒的結(jié)構(gòu)強度，可為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向性的引導，但具體優(yōu)化仍需進一步完善。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(chǔ)上，同時結(jié)合傳統(tǒng)圖15優(yōu)化方案1+3位移云圖成熟結(jié)構(gòu)型產(chǎn)品的設(shè)計案例，對該塑料真空簡采取的綜合優(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汽車實用技術(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(shè)計要求。按照優(yōu)化方案4成型的真空簡實物在經(jīng)過85萬次臺架疲勞試驗和總里程為6萬公里的實車可靠性驗證后，均未出現(xiàn)任何問題。以上實踐證明:基于理論模型的真空簡結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有效和實用的。2、總結(jié)圖21 具體方案位移云圖本文通過理論與實際相結(jié)合,以傳統(tǒng)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(guī)則塑料真空簡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，并以試驗為依據(jù)，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(guī)則形狀的開發(fā)提供一-定的參考-4.433E-01L 266E-.0和指導作用。L 00000所以在設(shè)計真空簡或其它儲能產(chǎn)品時，當遇到不規(guī)則結(jié)構(gòu)形狀限制而無法使用傳統(tǒng)鐵質(zhì)材料時，可考慮使用塑料或Ma=000EtO其他材料，以類似成熟產(chǎn)品為參考，設(shè)定合理的性能目標。在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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， 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，可添加適宜的加強筋等輔助措施以增(2)將內(nèi)部加強筋由普通結(jié)構(gòu)改為U型結(jié)構(gòu)，同時厚強整體的結(jié)構(gòu)強度， 另應避免尖銳的過渡。如此，一個可靠度由1.5mm增大至3.5mm，如圖20所示。的非金屬質(zhì)儲能產(chǎn)品是可以實現(xiàn)的。按此做優(yōu)化嘗試，CAE分析結(jié)果如圖21和圖22所示。理論模型的CAE分析存在一-定的誤差 ,但可通過對比為圖22具體方案應力云圖結(jié)構(gòu)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(shè)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《汽車設(shè)計》 機械工業(yè)出版社:[2]張勝蘭鄭冬黎郝琪等《基于 HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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