1 概述

　　機械結(jié)構(gòu)的屈曲是工程實際中最關(guān)心的問題之一，屈曲失效也是工程中最常見的失效形式之一，在汽車結(jié)構(gòu)中也是如此。因此，考察結(jié)構(gòu)的屈曲也是汽車工程師的主要工作內(nèi)容之一。橫向拉桿的主要失效形式就是失穩(wěn)，本文針對某轎車橫向拉桿(如圖1)進(jìn)行非線性屈曲優(yōu)化。

　　圖1 橫向拉桿

　　2 初始設(shè)計

　　2.1 初始設(shè)計模擬

　　初始設(shè)計為平板的厚度為5.8mm，材料的屈服極限為380MPa，立板的厚度為6.8mm，材料的屈服極限為480MPa，采用體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,一端(節(jié)點101)采用固定鉸約束，另一端采用滑移鉸約束，在滑移鉸約束端施加y方向40KN載荷，有限元模型如圖2。用MSC Nastran非線性靜態(tài)求解器riks弧長法求解。位移云圖和位移-載荷曲線如圖3，位移-載荷曲線的最高載荷點，即失穩(wěn)點的載荷為28.5978kN。

　　圖2 橫向拉桿的有限元模型

　　圖3 位移云圖和位移-載荷曲線

　　2.2初始設(shè)計靜態(tài)加載試驗

　　在實驗臺架上以10毫米/分鐘的速度對試件進(jìn)行靜態(tài)加載直至試件發(fā)生屈服為止，試件的靜態(tài)加載曲線如圖4，試件靜態(tài)加載試驗和模擬結(jié)果對比如表1。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)非常吻合(誤差僅為0.56%)，說明有限元模型可以模擬結(jié)構(gòu)初始設(shè)計的真實工況而且模擬結(jié)果非?？煽?，但是該結(jié)構(gòu)不能滿足工程實際要求(31KN)。因此，本文將從零件材料和零件厚度兩個方面對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

　　圖4 試件靜態(tài)加載曲線

　　表1 靜態(tài)加載試驗和模擬結(jié)果對比　

　　3 優(yōu)化設(shè)計

　　根據(jù)該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和工況特點，以兩個零件的厚度和兩種材料的屈服極限作為設(shè)計變量、結(jié)構(gòu)的屈服要大于等于31kN作為優(yōu)化條件和結(jié)構(gòu)的重量最輕作為優(yōu)化目標(biāo)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即：

　　設(shè)計變量：

　　平板的厚度t1(mm):2.618.5≤≤t;

　　立板的厚度t2(mm): 0.728.6≤≤t;

　　平板的屈服極限y1(MPa): 4801380≤≤y;

　　立板的屈服極限y2(MPa): 5202480≤≤y;

　　設(shè)計條件：

　　屈服力≥31kN;

　　設(shè)計目標(biāo)：

　　Minimize(Total_Weight(t1,t2,y1,y2))

　　部分優(yōu)化結(jié)果如表2和表3。

　　表2 t1=5.8和t2=6.8時幾種材料組合的模擬結(jié)果

　　表3 y1=460和y2=520時幾種厚度組合的模擬結(jié)果　　

　　根據(jù)優(yōu)化結(jié)果選用屈服極限為460MPa厚度為6.0的平板和屈服極限為520厚度為6.9的立板作為最終設(shè)計方案，該設(shè)計方案模擬結(jié)果屈服力為31.7981kN。對該設(shè)計方案進(jìn)行靜態(tài)加載試驗驗證，屈服力為31.9805kN,模擬結(jié)果的誤差僅為0.57%，滿足工程實際需要，并且該設(shè)計方案通過整車廠的驗收。

　　4 結(jié)論

　　從表3的優(yōu)化結(jié)果中可以看出提高平板的屈服極限比提高立板的屈服極限對結(jié)構(gòu)的屈曲的提高更顯著。

　　從表4的優(yōu)化結(jié)果中可以看出增加平板的厚度比增加立板的厚度對結(jié)構(gòu)的屈曲的提高更顯著。

　　因此，平板的性能對整個結(jié)構(gòu)屈曲的影響是主要的，提高平板的性能可以更有效的提高整個結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性。

　　采用仿真與試驗相結(jié)合的手段，能夠迅速解決設(shè)計開發(fā)中的問題，對于滿足項目發(fā)放進(jìn)度和提高企業(yè)競爭力是十分必要的。