汽車實(shí)用技術(shù)20 13年第9期設(shè)計(jì)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(xì)地介紹了某車型不規(guī)則塑料真空簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并以實(shí)車驗(yàn)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(chǔ)能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一定的參考和指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞:塑料;真空筒;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;儲(chǔ)能中圖分類號(hào): U463.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 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(jiǎn)則難以通過(guò)傳統(tǒng)的鈑金沖壓工藝引言實(shí)現(xiàn)，而目前常見(jiàn)的儲(chǔ)能產(chǎn)品主要為兩種材質(zhì)，一種是金屬真空簡(jiǎn)是液壓制動(dòng)系統(tǒng)中用來(lái)儲(chǔ)存真空的儲(chǔ)能裝置，也材質(zhì)，一種是塑料材質(zhì)。而如何設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)可靠的不規(guī)則有稱之為真空罐。其儲(chǔ)存的真空可在車輛行車制動(dòng)時(shí)，為真塑料真空筒成為擺在設(shè)計(jì)人員面前的-一個(gè)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(dòng)的需求。真空簡(jiǎn)多過(guò)某一-輕型客 車塑料真空簡(jiǎn)的開發(fā)案例，介紹塑料材質(zhì)真空見(jiàn)于輕型商用車上,而很少應(yīng)用到乘用車上。其主要原因是:筒從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到強(qiáng)度優(yōu)化以及試驗(yàn)驗(yàn)證的開發(fā)過(guò)程，為同類-般乘用車的總質(zhì)量較小，制動(dòng)時(shí)所需的真空較少，即使是型產(chǎn)品的開發(fā)提供指導(dǎo)性建議。頻繁的制動(dòng)，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(jì)車的總質(zhì)量較大，其制動(dòng)時(shí)所需的真空相對(duì)較多，頻繁制動(dòng)時(shí)，若不匹配真空簡(jiǎn)，真空泵的抽取速度難以跟上消耗速度，1.1 概述會(huì)降低真空助力器助力的助力效果，尤其在山路下坡時(shí)，會(huì)在某輕型客車開發(fā)過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)較大，導(dǎo)致發(fā)艙因?yàn)檎噾T性較大，產(chǎn)生安全隱患。內(nèi)空間狹小，難以布置下一個(gè)6L大小的真空筒，即使勉強(qiáng)隨著越來(lái)越多的新車型的開發(fā),發(fā)艙的布置會(huì)不盡相同。布置下， 也會(huì)影響發(fā)艙散熱，產(chǎn)生熱害風(fēng)險(xiǎn)，所以需要將真當(dāng)某些車型的發(fā)艙空間難以存放一-個(gè) 規(guī)則的固定容積的真空空簡(jiǎn) 移至發(fā)艙外布置。最終經(jīng)過(guò)綜合考慮決定將真空簡(jiǎn)布置簡(jiǎn)時(shí)，將真空簡(jiǎn)設(shè)計(jì)成不規(guī)則形狀會(huì)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(jiǎn)形狀無(wú)法設(shè)計(jì)成統(tǒng)的真空簡(jiǎn)都是通過(guò)鈑金沖壓生成上下兩個(gè)簡(jiǎn)體，然后將上傳統(tǒng)的圓簡(jiǎn)狀或方 盒狀，造型相對(duì)奇特;而受造型影響，傳下簡(jiǎn)體以及附屬的支架等焊接在一起，如此就行成了真空簡(jiǎn)統(tǒng)的鈑 金沖壓件工藝難以實(shí)現(xiàn)，因此該真空簡(jiǎn)最終采用了塑料材質(zhì)。上下簡(jiǎn)中國(guó)煤化工簡(jiǎn)體通過(guò)熱板作者簡(jiǎn)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(tái)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(duì)此問(wèn)題，通過(guò)其他結(jié)構(gòu)0型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)引入CAE結(jié)構(gòu)分析工具對(duì)原始方案進(jìn)行理論模型的強(qiáng)度校核，并對(duì)市場(chǎng)上某成熟鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)定合理的性能目標(biāo)，對(duì)該塑料真空簡(jiǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除不合理的設(shè)計(jì)因素。1.3性能目標(biāo)設(shè)定該塑料真空簡(jiǎn)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(jiǎn)所受負(fù)壓為95KPa。對(duì)原始方案進(jìn)行圖1真空筒上簡(jiǎn)體CAE分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示;對(duì)成熟鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)進(jìn)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(jiǎn)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(yīng)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(jiǎn)設(shè)計(jì)成類似菱形的形狀，如圖1所示，分為上下簡(jiǎn)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(jì)此種中國(guó)煤化工不規(guī)則塑料真空簡(jiǎn)時(shí)，缺少相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的案例指導(dǎo)，導(dǎo)致按此方案開發(fā)的真空簡(jiǎn)實(shí)物在裝車后即發(fā)現(xiàn)靠近輪胎的一面MYHCNMH G .5:汽車實(shí)用技術(shù)2014年第9期DisplacemetaeMael EISCBATCEHMNG u對(duì)原始方案結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，原始方案強(qiáng)度較弱區(qū)域Analysis&eleAsE 1= STEP. _95KPA : Simulation 1如圖9所示，與實(shí)際故障相符，主要是因?yàn)榇藚^(qū)域?yàn)槠矫?。Frame1-2.163E-01過(guò)棱邊中點(diǎn)的截面反映此區(qū)域的幾何特征。線段1.3構(gòu)成一個(gè)截面，線段2、 4構(gòu)成- -個(gè)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(qiáng)度，可以通過(guò)將棱邊中點(diǎn)向外移動(dòng)來(lái)實(shí)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(diǎn)向外移動(dòng)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(yīng)力云圖屈服極最大應(yīng)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(jiǎn)原始方案的最大應(yīng)力超出屈服極限，最大位移為8.1mm,而鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)的的最大應(yīng)力和最大位移均是較小的。因此根據(jù)鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)- 790強(qiáng)度水平，結(jié)合塑料真空簡(jiǎn)確實(shí)存在的結(jié)構(gòu)差異，將該塑料真空簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)定在:最大應(yīng)力小于30MPa，最大位移與鐵質(zhì)真空簡(jiǎn)保持同-一量級(jí)，即小于1mm。1.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖12優(yōu)化方案 1應(yīng)力云圖剛度較|1.4.2優(yōu)化方案2同樣將棱邊中點(diǎn)向外移動(dòng)24mm，做嘗試對(duì)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(jiǎn)圖圖13優(yōu)化方案 2位移云圖中國(guó)煤化工TYHCNMHG圖10中點(diǎn)外移圖14優(yōu)化方案 2應(yīng)力云圖2014年第9期葉飛等:新型真空簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化58屈服極|最大應(yīng)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(yīng)力云圖由以上對(duì)比分析可知，將棱邊中點(diǎn)向外移動(dòng)可有效提升該真空簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但單純的移動(dòng)棱邊中點(diǎn)還無(wú)法達(dá)到目屈服極最大應(yīng)最大位限(MPa)力(MPa)移(mm)標(biāo)要求，還需要從其他角度考慮。1.4.3 優(yōu)化方案3加強(qiáng)筋是多數(shù)結(jié)構(gòu)型產(chǎn)品設(shè)計(jì)中經(jīng)常應(yīng)用到的輔助工具，因此可對(duì)原始方案的加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化，首先考慮的就是增加加強(qiáng)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(qiáng)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(duì)比分析可知，通過(guò)移動(dòng)棱邊中點(diǎn)和增加內(nèi)部加a Valbee 1.947強(qiáng)筋厚度可有效提升該真空筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向性的引導(dǎo)，但具體優(yōu)化仍需進(jìn)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(duì)比的基礎(chǔ)上，同時(shí)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(jì)案例，對(duì)該塑料真空簡(jiǎn)采取的綜合優(yōu)化方案為:A圖16優(yōu)化方案1+3應(yīng)力云圖圖19優(yōu)化薄弱面RL- 107400- 8.617E-01r Valu= 199C>Mo00.000中國(guó)煤化工圖17優(yōu)化方案2+3位移云圖YHCNMHG5S汽車實(shí)用技術(shù)2014年第9期由.上表可知，優(yōu)化方案4達(dá)到最初制定的性能目標(biāo)，符合設(shè)計(jì)要求。按照優(yōu)化方案4成型的真空簡(jiǎn)實(shí)物在經(jīng)過(guò)85萬(wàn)次臺(tái)架疲勞試驗(yàn)和總里程為6萬(wàn)公里的實(shí)車可靠性驗(yàn)證后，均未出現(xiàn)任何問(wèn)題。以上實(shí)踐證明:基于理論模型的真空簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有效和實(shí)用的。2、總結(jié)圖21 具體方案位移云圖本文通過(guò)理論與實(shí)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(xì)地介紹了某不規(guī)則塑料真空簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程，并以試驗(yàn)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(chǔ)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(dǎo)作用。L 00000所以在設(shè)計(jì)真空簡(jiǎn)或其它儲(chǔ)能產(chǎn)品時(shí)，當(dāng)遇到不規(guī)則結(jié)構(gòu)形狀限制而無(wú)法使用傳統(tǒng)鐵質(zhì)材料時(shí)，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(biāo)。在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使承壓處球面化，因?yàn)榍蛐蚊嬖?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(shí)， 其受力是均勻分布的，可有效避免應(yīng)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(qiáng)筋等輔助措施以增(2)將內(nèi)部加強(qiáng)筋由普通結(jié)構(gòu)改為U型結(jié)構(gòu)，同時(shí)厚強(qiáng)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 另應(yīng)避免尖銳的過(guò)渡。如此，一個(gè)可靠度由1.5mm增大至3.5mm，如圖20所示。的非金屬質(zhì)儲(chǔ)能產(chǎn)品是可以實(shí)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(guò)對(duì)比為圖22具體方案應(yīng)力云圖結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向性的指導(dǎo)。屈服極最大應(yīng)|最大位移方案材料在本次設(shè)計(jì)中，理論分析借助了應(yīng)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(xiàn)目標(biāo)方案<30E1[1] 王望予《汽車設(shè)計(jì)》 機(jī)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(jì)技優(yōu)化方案427.90.798術(shù)》 機(jī)械工業(yè)出版社。中國(guó)煤化工MYHCNMHG