新型真空筒的结构优化

汽车实用技术20 13年第9期设计研究AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY13 NO.9新型真空筒的结构优化叶飞(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230601)摘要:本文详细地介绍了某车型不规则塑料真空简的设计过程，并以实车验证为依据，证明了理论模型结构优化的有效性，为储能产品的设计提供一定的参考和指导作用。关键词:塑料;真空筒;结构优化;储能中图分类号: U463.5文献标识码: A文章编号: 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总成。然而不规则的真空简则难以通过传统的钣金冲压工艺引言实现，而目前常见的储能产品主要为两种材质，一种是金属真空简是液压制动系统中用来储存真空的储能装置，也材质，一种是塑料材质。而如何设计一款结构可靠的不规则有称之为真空罐。其储存的真空可在车辆行车制动时，为真塑料真空筒成为摆在设计人员面前的-一个难题， 下 文则将通空助力器提供足够的真空以满足频繁制动的需求。真空简多过某一-轻型客 车塑料真空简的开发案例，介绍塑料材质真空见于轻型商用车上,而很少应用到乘用车上。其主要原因是:筒从结构设计到强度优化以及试验验证的开发过程，为同类-般乘用车的总质量较小，制动时所需的真空较少，即使是型产品的开发提供指导性建议。频繁的制动，真空泵的抽取速度基本都能满足要求，而商用1、某车型塑料真空筒的结构设计车的总质量较大，其制动时所需的真空相对较多，频繁制动时，若不匹配真空简，真空泵的抽取速度难以跟上消耗速度，1.1 概述会降低真空助力器助力的助力效果，尤其在山路下坡时，会在某轻型客车开发过程中，由于发动机较大，导致发舱因为整车惯性较大，产生安全隐患。内空间狭小，难以布置下一个6L大小的真空筒，即使勉强随着越来越多的新车型的开发,发舱的布置会不尽相同。布置下， 也会影响发舱散热，产生热害风险，所以需要将真当某些车型的发舱空间难以存放一-个 规则的固定容积的真空空简 移至发舱外布置。最终经过综合考虑决定将真空简布置简时，将真空简设计成不规则形状会成为-一种需求。目前传在右前轮包下， 由于布置位置特殊，真空简形状无法设计成统的真空简都是通过钣金冲压生成上下两个简体，然后将上传统的圆简状或方 盒状，造型相对奇特;而受造型影响，传下简体以及附属的支架等焊接在一起，如此就行成了真空简统的钣 金冲压件工艺难以实现，因此该真空简最终采用了塑料材质。上下简中国煤化工简体通过热板作者简介:叶飞，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。焊接成一体，如1MHCNMHG2014年第9期叶飞等:新型真空筒的结构优化1.2原始方案存在凹陷现象，并在三台可靠性样车行驶至12000KM 左右均出现了凹陷面开裂漏气故障。针对此问题，通过其他结构0型产品的设计引入CAE结构分析工具对原始方案进行理论模型的强度校核，并对市场上某成熟铁质真空简进行对比，设定合理的性能目标，对该塑料真空简进行结构优化，消除不合理的设计因素。1.3性能目标设定该塑料真空简具体材质为PP+30%玻璃纤维，弹性模量为5400MPa,泊松比为0.43，屈服极限为120MPa(弯 曲)和80MPa(拉伸)，真空简所受负压为95KPa。对原始方案进行图1真空筒上简体CAE分析，分析结果如图5和图6所示;对成熟铁质真空简进行分析，分析结果如图7和图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图2真空筒下简体Node 4072Min=000E+00图5原始方 案位移云图Contouplol.. E\SCRATCHM111_Vacum btfStress(vonRaSEHMEPlSCRATCHM111-Yacum-pp2Simple Averag4SE1-STEP_95K f Simrame. -9.589E+01E图3真空筒总成StaticMax. YlUez 407.873Max=1079E+0270_可Node 21图6原始方案应力云图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/图4真空筒布置示意图受轮包形状和轮胎位置的影响，该真空简设计成类似菱形的形状，如图1所示，分为上下简体结构，分别如图2和Max=5483Eoreace Max. Vaule= 5图3所示，其整车布置示意图如图4所示。在初次设计此种中国煤化工不规则塑料真空简时，缺少相关产品开发的案例指导，导致按此方案开发的真空简实物在装车后即发现靠近轮胎的一面MYHCNMH G .5:汽车实用技术2014年第9期DisplacemetaeMael EISCBATCEHMNG u对原始方案结构模型进行分析，原始方案强度较弱区域Analysis&eleAsE 1= STEP. _95KPA : Simulation 1如图9所示，与实际故障相符，主要是因为此区域为平面。Frame1-2.163E-01过棱边中点的截面反映此区域的几何特征。线段1.3构成一个截面，线段2、 4构成- -个截面。1 与3之间、2与4之间的夹角均为180度。要提高该区域的强度，可以通过将棱边中点向外移动来实现，如图10所示。-0.00Max. Value= 0.24:1.4.1 优化方案1Max= 2434E-01在以上分析的基础上，将棱边中点向外移动12mm做优Node 14613化尝试，CAE分析结果如图11和图12所示。图8铁质方 案应力云图屈服极最大应最大位方案材料限(MPa)力(MPa)移(mm)原始方案.PP+30%8(107.98.109 .玻璃纤维铁质方案.Q23523554.830.243图11优化方案1位移云图结论:由以上CAE分析可知:该塑料真空简原始方案的最大应力超出屈服极限，最大位移为8.1mm,而铁质真空简的的最大应力和最大位移均是较小的。因此根据铁质真空简- 790强度水平，结合塑料真空简确实存在的结构差异，将该塑料真空简的结构性能目标定在:最大应力小于30MPa，最大位移与铁质真空简保持同-一量级，即小于1mm。1.4结构优化图12优化方案 1应力云图刚度较|1.4.2优化方案2同样将棱边中点向外移动24mm，做尝试对比，CAE分析结果如13和图14 所示。24- -1 02+20e Viue- 1947图9分析简图图13优化方案 2位移云图中国煤化工TYHCNMHG图10中点外移图14优化方案 2应力云图2014年第9期叶飞等:新型真空简的结构优化58屈服极|最大应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玻璃纤维优化方案174.993.145优化方案259.881.947图18优化方案 2+3应力云图由以上对比分析可知，将棱边中点向外移动可有效提升该真空简的结构强度，但单纯的移动棱边中点还无法达到目屈服极最大应最大位限(MPa)力(MPa)移(mm)标要求，还需要从其他角度考虑。1.4.3 优化方案3加强筋是多数结构型产品设计中经常应用到的辅助工具，因此可对原始方案的加强筋进行优化，首先考虑的就是增加加强筋的厚度，因此根据此思路在优化方案1和优化方优化方案1| PP+30%案2的基础.上再将内部加强筋厚度由1.5mm增大至3mm,+优化方案3玻璃纤维8做优化尝试，CAE分析结果如下所示。Resut: ESMeMt1 Vcum Motr,J3op2优化方案2+SUBCASE141.611.9391:731E-00优化方案3由以上对比分析可知，通过移动棱边中点和增加内部加a Valbee 1.947强筋厚度可有效提升该真空筒的结构强度，可为结构优化提供方向性的引导，但具体优化仍需进一步完善。1.4.4优化方案4在以上优化方案的尝试和对比的基础上，同时结合传统图15优化方案1+3位移云图成熟结构型产品的设计案例，对该塑料真空简采取的综合优化方案为:A图16优化方案1+3应力云图图19优化薄弱面RL- 107400- 8.617E-01r Valu= 199C>Mo00.000中国煤化工图17优化方案2+3位移云图YHCNMHG5S汽车实用技术2014年第9期由.上表可知，优化方案4达到最初制定的性能目标，符合设计要求。按照优化方案4成型的真空简实物在经过85万次台架疲劳试验和总里程为6万公里的实车可靠性验证后，均未出现任何问题。以上实践证明:基于理论模型的真空简结构优化是有效和实用的。2、总结图21 具体方案位移云图本文通过理论与实际相结合,以传统铁质真空筒为参考，CortourPlot依托CAE分析手段,详细地介绍了某不规则塑料真空简的结构优化过程，并以试验为依据，证明了理论模型优化的有效- 6 206E01 .一 -5 320E-01性，为储能产品，尤其是不规则形状的开发提供一-定的参考-4.433E-01L 266E-.0和指导作用。L 00000所以在设计真空简或其它储能产品时，当遇到不规则结构形状限制而无法使用传统铁质材料时，可考虑使用塑料或Ma=000EtO其他材料，以类似成熟产品为参考，设定合理的性能目标。在产品的结构设计时，尽量使承压处球面化，因为球形面在(1)将原薄弱平面优化成圆弧面(弧面大小受轮胎极限受到发散型压力时， 其受力是均匀分布的，可有效避免应力位置限制)，如图19所示;集中。若不能球面画，可添加适宜的加强筋等辅助措施以增(2)将内部加强筋由普通结构改为U型结构，同时厚强整体的结构强度， 另应避免尖锐的过渡。如此，一个可靠度由1.5mm增大至3.5mm，如图20所示。的非金属质储能产品是可以实现的。按此做优化尝试，CAE分析结果如图21和图22所示。理论模型的CAE分析存在一-定的误差 ,但可通过对比为图22具体方案应力云图结构优化提供方向性的指导。屈服极最大应|最大位移方案材料在本次设计中，理论分析借助了应用软件HyperMesh。限(MPa)力(MPa)(mm)PP+30%原始方案玻璃纤维8(107.98.109 .参考文献目标方案<30E1[1] 王望予《汽车设计》 机械工业出版社:[2]张胜兰郑冬黎郝琪等《基于 HyperWorks的结构优化设计技优化方案427.90.798术》 机械工业出版社。中国煤化工MYHCNMHG