汽车空气弹簧支架的优化设计

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汽车空气弹簧支架的优化设计
Solidworks作为国际上主流的设计软件，除自身提供了便捷的三维设计、装配和工程图等功能外，还集成了较多CAD／CAE／CAM应用方面的解决方案，这样便于设计人员在SolidWorks统一的软件界面下，完成整个产品的结构设计、性能分析和加工制造等产品设计验证与制造的开发流程。
      下面是SolidWorks COSMOS在汽车行业的一个分析案例。汽车空气悬架系统采用空气弹簧代替传统的钢板弹簧，可以大幅度提高整车的舒适性、平稳性和操纵性。笔者在对国内某款车型进行空气悬架改装时，应用SolidWorks软件进行产品三维设计、装配及干涉检查，同时采用其集成的有限元分析软件COSMOSWorks进行多个关键零件部件的结构分析与优化，有效保证了产品质量，整个设计周期缩短了30%；最终实现装车一次成功。面向设计的优化流程本文以空气弹簧某支架的优化设计为例，介绍其在SolidWorks中的优化过程。
1 e# U  ?3 I3 B2 _# o0 }    1．设计要求
    (1)在满足空气弹簧工作空间要求的同时，不得与周边物体有装配干涉和运动干涉；
    (2)结构的静强度满足气囊最大承载能力的要求。 对于要求(1)，可以利用SolidWorks的三维造型和装配体的干涉检查等功能完成。如果结构复杂，且运动状态不易判断，还可以借助SolidWorks的物质动力功能或者集成的运动仿真软件 CMOSMotion来完成，这里不做介绍。
    2．分析过程
      首先利用SolidWorks的三维造型功能，确定空气弹簧支架的基本结构，如图1所示。该支架的材料为Q345B，厚度均为6mm，零件质量为3.56Kg；然后利用COSMOSWorks进行静强度的分析，对设计进行验证。由于任何分析软件都无法做到真实工况的仿真模拟计算，所以在建立研究课题前，我们会找出影响该部件的主要约束条件及载荷。COSMOSWorks在分析前处理阶段所提供的参数设定非常丰富，基本满足大多数的案例分析：同时在模型网
) q  V& I, K( V8 U$ q( Y' Z    格划分即离散化处理方面更加智能，无须手工调整网格，并且具有快速的结算能力

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      在空气弹簧最大工作载荷作用下，支架的最大应力为559MPa (见图2) ，最大位移为3．6mm(见图3)。而材料Q345B的许用应力要求不得超过280MPa，焊缝区域小于230mm。因此，基本结构的应力计算值已是材料许用应力的2倍，必须对结构进行强度优化。根据设计经验，我们首先将板材厚度由6mm增加到8mm(板材10mm厚已没有布置空间，不再考虑），重新计算，两者之间基本结构强度的分析对比见表1。当板材厚度增加到8mm厚时，其计算结果分别如图4、图5所示