優化方法在汽車制動器設計中的應用

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關鍵字:優化制動器壓力容積 OptiStruct 拓撲優化

借助于優化方法,設計人員在概念階段即可對結構根據需求進行合理化分布,以減少后期大量的改良工作。本文通過某汽車制動器壓力容積的優化為例,詳細介紹了如何運用 OptiStrcut軟件進行拓撲優化的過程。應用表明該方法能準確的預測計算壓力容積值并對設計進行更改優化,從而達到降低成本的目的。

1 概述
機械結構分析目前已經成為機械設計中非常重要的一個輔助手段,而作為體現機械工業水平的汽車行業中,結構分析及優化更是在近年來得到很大的應用和提高。
制動系統是汽車的一個重要組成部分,它直接影響汽車的安全性。制動器是制動系統中用以產生阻礙車輛的運動或運動趨勢的力的部件,它是汽車制動時的直接執行者,由于制動時所需要的巨大摩擦力,使得制動器的結構強度和剛度成為設計時很重要的參數之一。而壓力容積指的是制動時由于制動器受力變形引起的制動液補液量,它實際上體現了整個制動器系統的剛度,對駕駛者制動時的踏板感覺有著直接影響,也是制動器設計中需要重點考慮的對象之一。
由于壓力容積的重要性,在制動器設計初期對其進行有限元模擬計算是必不可少的環節。影響制動系統壓力容積的因素很多,包括摩擦片的壓縮率,各部件的設計剛度等等,因而對其進行模擬計算的工作量也相對而言較大。除此之外,如何盡可能的降低部件重量以滿足降低成本和油耗的要求也是在設計中必須考慮的問題。
隨著計算機軟硬件日新月異的發展,使得對一些系統級的大規模計算成為了可能。但往往這些復雜的模擬會涉及到很多煩瑣的定義,比如接觸,材料屬性,分析步,邊界條件等。大陸集團目前是世界上最大的汽車制動系統供應商之一,對制動系統的開發已建立起全面的能力,能夠對制動系統的各種部件進行不同類型的分析,如結構計算,模態分析,熱分析,拓撲優化等等。
本文針對某制動器開發項目詳細介紹了如何應用CAE軟件對制動器殼體進行拓撲優化的思路和方法。涉及到的軟件包括有HyperWorks(前后處理及優化求解),ABAQUS(非線性求解及后處理)。
2 制動器系統壓力容積拓撲優化分析過程簡介
2.1 盤式制動器工作原理
制動器的支架通過螺栓固定在轉向節上,殼體又通過制動器的導向結構徑向固定,而軸向可沿著導向銷與支架發生相對滑動。活塞在制動壓力的作用下推動活塞側摩擦片,使之壓靠在制動盤上。同時制動壓力推動制動器殼體沿導向銷移動,使拳側摩擦片也壓靠在制動盤上,產生制動力。于是,制動盤兩側被摩擦片夾住,而被制動。制動盤又和車輪輪轂緊固在一起,所以車輪也停止轉動。盤式制動器的總成見圖1。

圖1 制動鉗總成

2.2 分析目標
某制動鉗殼體原為鋁制材料,為降低成本需將殼體材料改為鑄鐵。由于鑄鐵材料楊氏模量較大,因此必須進行拓撲優化以避免過大的剛度和材料浪費。優化目標是在保證與原有殼體類似的壓力容積的同時得到最輕質量。
2.3 分析過程
1.計算原鋁質殼體的系統壓力容積值
2.對最大設計模型(根據公差計算及零件必需功能所得)進行系統壓力容積計算,并提取出接觸壓力結果作為優化時的載荷邊界條件。
3.使用Altair OptiStruct對制動器殼體進行拓撲優化。
4.得到優化結果并對其進行壓力容積計算。
5.對優化結果進行CAD建模,并計算重新建模后的CAD模型,如有需要再實施第二輪優化。
由于本文主要介紹的是拓撲優化的思路和過程,在此不對壓力容積計算進行詳細描述。下文將具體介紹過程2和過程3。
2.4 有限元建模
2.4.1 網格
由于壓力容積主要是由整個制動器軸向的變形引起的,在模擬計算時可以去掉一些不必要的零件,簡化為由殼體,活塞,摩擦片材料,摩擦片背板和制動盤組成的分析總成,而通常這些零件又是左右對稱的,因此在劃分網格時只需分析一半以減少單元數量。
將裝配體模型進行幾何簡化,去除一些不必要的細節特征,如小倒角,小孔等,然后進行網格劃分。所有的網格均采用三維實體單元(六面體及四面體),其中四面體網格選取二階單元以增加分析精度。
進行壓力容積計算的最大設計模型網格見圖2。

圖2 模型網格

在壓力容積計算完成后,將模型中的殼體網格導入HyperWorks進行拓撲優化。結果見圖3。

圖3 最大殼體設計模型

2.4.2 材料屬性
除了摩擦片使用非線性材料模型以外,其他零件的材料為鋁,鑄鐵或鋼等線彈性材料,只需定義適當的泊松比和楊氏模量,如需考慮材料塑性,則還需輸入應力應變曲線。
    鑄鐵的材料參數:
        彈性模量:170GPa
        材料密度:7.2e +3kg/m3
        泊松比:0.28
        長度單位為:mm
    鋁的材料參數:
        彈性模量:70GPa
        材料密度:2.7e +3kg/m3
        泊松比:0.29
        長度單位為:mm
2.4.3 邊界條件及接觸定義
進行壓力容積計算時需在ABAQUS內設置多個接觸對,包括殼體缸部與活塞圓周,活塞與內側背板,背板與摩擦片材料,摩擦片材料和制動盤以及殼體拳側與外側背板等。在計算完成后提取出殼體缸部與活塞圓周,以及殼體拳側與外側背板這兩個接觸對的接觸壓力。并將其導入到HyperMesh中作為殼體優化的載荷,此外還需對殼體加上對稱約束,并且對某些節點加自由度約束以消除剛體自由運動。
2.4.4 拓撲優化參數定義
    最后必須定義優化參數以得到有效的優化結果。
    1.根據設計需要定義合理的設計區域和非設計區域以保證零件的功能。
    2.定義正確的拔模形式和方向。
    3.定義優化目標和優化約束,在此分析中優化目標是最小應變能,優化約束是質量百分比。
    4.定義合理最小成員尺寸,一般為10—20。
    5.定義卡片控制優化過程和輸出。