1. 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，在保證性能出色的同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的減重優(yōu)化和加快投放速度是各大廠商面臨的一大挑戰(zhàn)。CAE是試驗(yàn)驗(yàn)證之外的另一重要工具，在汽車開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段扮演了非常重要的角色，特別是在前期就可以很好的起到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和設(shè)計(jì)保障的作用。

 

缸體總成構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，是發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)的所有主要零件和附件系統(tǒng)，承受各種載荷，缸體總成必須有足夠的強(qiáng)度和可靠性。

 

本文將針對(duì)某款新開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓痕定位式主軸承蓋，展示基于Abaqus對(duì)主軸承蓋壓裝過(guò)程進(jìn)行仿真分析，將DFSS和FEA相結(jié)合，實(shí)施快速準(zhǔn)確的迭代優(yōu)化，并最終在后續(xù)耐久試驗(yàn)中驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的可靠性。

 

2. 壓裝過(guò)程模擬

2.1 模型及設(shè)定

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主軸承蓋和缸體采用止口定位（一種過(guò)盈配合方式），在發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、高輸出的背景下，軸承擋的疲勞安全系數(shù)普遍偏低。為解決該問(wèn)題，新設(shè)計(jì)在軸承蓋孔口周圍設(shè)計(jì)了凸起結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓提供的預(yù)緊力壓入缸體，軸承蓋材料硬度大于缸體，可以使得缸體材料屈服，產(chǎn)生“壓痕”，該“壓痕”可用于重復(fù)裝配的定位；同時(shí)由于止口接觸面不用加工，省掉了一筆機(jī)加工費(fèi)用。公司新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了這種新型結(jié)構(gòu)的主軸承蓋，但在壓裝過(guò)程中產(chǎn)生了裂紋，需要對(duì)此進(jìn)行仿真計(jì)算，探索失效原因，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

 

 

圖 1 新設(shè)計(jì)的壓痕式主軸承蓋

 

如下圖所示，建立壓裝的計(jì)算模型，主軸承蓋凸起與機(jī)體的接觸部分細(xì)化網(wǎng)格，各截面上的節(jié)點(diǎn)設(shè)定對(duì)稱約束，沿著壓裝方向施加壓力。

 

 

圖 2 壓裝計(jì)算模型

 

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用Abaqus Explicit模塊，模擬動(dòng)態(tài)壓裝過(guò)程，結(jié)果如圖3所示，從壓裝過(guò)程主軸承蓋的應(yīng)力分布云圖可以看出，部分區(qū)域應(yīng)力超標(biāo)，而且該區(qū)域與實(shí)際零件的開(kāi)裂位置一致，證明了仿真計(jì)算的可靠性。

 

 

圖 3 原始設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果

 

 

圖 4 零件失效圖片

 

3. 結(jié)合 DFSS 實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 明確優(yōu)化因子

與壓痕相關(guān)的共有下圖5所示的10個(gè)參數(shù)，普通的優(yōu)化方法不能考慮到參數(shù)相互之間的關(guān)聯(lián)性，因此考慮運(yùn)用DFSS方法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。從變形動(dòng)畫(huà)和計(jì)算結(jié)果可以得到其中5個(gè)關(guān)鍵因子：缸體軸承孔直徑、凸臺(tái)與缸體配合直徑、凸臺(tái)角度、凸臺(tái)高度以及凸臺(tái)弧長(zhǎng)。主軸承蓋開(kāi)裂與壓裝時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力緊密相關(guān)，因此以應(yīng)力為響應(yīng)，設(shè)計(jì)部分因子實(shí)驗(yàn)。

 

 

圖 5 設(shè)計(jì)優(yōu)化的參數(shù)

 

3.2 部分因子實(shí)驗(yàn)

首輪實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)矩陣非正交，不過(guò)用田口分析響應(yīng)均值，可得到因子影響從大到小為D3，D5，D10，D8（與工程經(jīng)驗(yàn)相符），下一步考慮直接給D8賦值，不納入因子實(shí)驗(yàn)。

 

 

圖 6 因子影響大小排序

 

 

圖 7 等高線圖分析

 

3.3 優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合第一輪因子實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，在第二輪實(shí)驗(yàn)中調(diào)整因子水平、收緊各因子的賦值范圍，如凸臺(tái)與缸體配合直徑定義為14mm-15mm，通過(guò)擬合模型得到圖8所示的最優(yōu)解。

 

 

圖 8 各因子的最優(yōu)解

 

考慮到零件的實(shí)際加工要求，對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行了取整處理，得到各因子的實(shí)際解，重新建立優(yōu)化后的模型并仿真計(jì)算，最終模型預(yù)測(cè)實(shí)際解的范圍為353-406，CAE計(jì)算結(jié)果為374，兩者一致。

 

 

圖 9 設(shè)計(jì)優(yōu)化后的主軸承蓋應(yīng)力云圖

 

3.4 新設(shè)計(jì)驗(yàn)證

針對(duì)最優(yōu)解方案，建立缸體總成分析模型，校核新設(shè)計(jì)的可靠性。如圖10所示，缸體總成的安全系數(shù)達(dá)標(biāo)，特別是缸體曲軸檔圓弧處最小安全系數(shù)，滿足guideline要求；高于采用止口定位方案的缸體曲軸檔圓弧處的安全系數(shù)。新方案裝機(jī)后，順利通過(guò)了后續(xù)一系列的耐久試驗(yàn)，證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

 

 

圖 10 設(shè)計(jì)優(yōu)化后的機(jī)體高周疲勞結(jié)果

 

 

圖 11 新設(shè)計(jì)方案通過(guò)耐久試驗(yàn)

 

4. 結(jié)論

對(duì)于工程開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，DFSS可以讓設(shè)計(jì)者采用系統(tǒng)化技術(shù)方法，設(shè)計(jì)出滿足質(zhì)量要求的產(chǎn)品，它在工業(yè)制造領(lǐng)域的質(zhì)量部門(mén)和設(shè)計(jì)部門(mén)得到了大范圍運(yùn)用。DFSS分為確認(rèn)、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、驗(yàn)證4各階段，對(duì)設(shè)計(jì)部門(mén)來(lái)說(shuō)，最具使用價(jià)值的是其中第三階段的優(yōu)化方法和理論，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的理念和方法對(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)工作具有重要的實(shí)踐意義。

 

通過(guò)對(duì)某款車用發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋壓裝問(wèn)題的分析，本文將FEA和DFSS知識(shí)有機(jī)結(jié)合應(yīng)用，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期對(duì)主軸承蓋進(jìn)行強(qiáng)度校核并為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了有效指導(dǎo)，凸顯了CAE可有效縮短開(kāi)發(fā)周期的優(yōu)勢(shì)，充分體現(xiàn)了快速響應(yīng)設(shè)計(jì)的理念。

 

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