CN104794302A - 一种手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，对现有底座结构按拓扑优化方法进行优化，通过优化设计理论，借助计算机虚拟分析技术，分析优化了手制动操纵机构的底座结构，达到结构最优、性能最好。
Description
技术领域
本发明属于汽车设计技术领域，涉及一种手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法。
背景技术
结构优化通过几十年的发展已经逐步走向成熟，结构设计者借助计算机虚拟技术和结构设计理论设计出安全可靠的结构，也借此更好地选择材料。与传统的设计相比，连续体结构拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定较合理的结构形式，为设计师提供全新的设计和最优的材料分布方案。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：采用现有设计主要依靠设计人员的经验和对标竞品结构，由于零件使用环境等因素不同，不能完全照搬。同时也缺少必要的理论支持，一旦开模，后期的修改将带来成本浪费，甚至开发周期也不能满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种确定底座合理结构、实现了零件轻量化目标，满足强度与刚度要求，优化手制动操纵机构结构，满足结构最优、性能最好的手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，包括如下步骤：
1)确定制动操纵机构性能目标；
2)建立适合于手制动操纵机构的底座结构优化设计的有限元初始设计域， 利用三维建模软件将参数化模型导入有限元软件中，通过提取出底座的最大设计空间尺寸建立有限元初始设计域；
3)建立拓扑优化数学模型：
根据手制动操纵机构的材料，设定手柄、底座、转轴、绕线盘和车身安装板的弹性模量、泊松比和密度；
对模型进行网格划分，设定手柄、转轴、绕线盘和车身安装板为非设计区域，底座除安装孔附近其他都为设计区域；
在底座与车身安装板的安装孔施加固定约束，转轴与手柄固定连接，转轴与底座设置Y向旋转自由度，在手柄端部附近施加载荷；
4)迭代求解：
采用变密度优化材料分布法，以底座满足刚度和强度为设计目标，求出底座设计区域的最佳材料分布方案，并以此方案设计出优化后的底座的形状；
5)获得手制动操纵机构的底座的优化结构；
6)根据拓扑优化结果创建CAD模型；
7)分析优化后结构的刚度和强度。
在第4步中，以体积最小为优化目标。
在第4步中，优化约束：设计空间体积分数上限为0.3。
在第3步中，施加载荷的位置为离手柄端部50mm处。
在第7步中，建立手制动操纵机构有限元模型，手柄与转轴刚性连接，转轴与底座设置Y向转动自由度，底座与车身接触连接，在手柄上施加测试载荷，进行刚度与强度校核。
刚度与强度校核内容包括：手柄最大应力、转轴最大应力、绕线盘最大应力、底座最大应力，并与各自屈服应力比较；校核内容还包括：手刹安装点刚 度与手刹控制手柄侧向刚度。
测试载荷为：两个侧向载荷100N和一个垂向载荷400N。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，通过优化设计理论，借助计算机虚拟分析技术，分析优化了手制动操纵机构结构，满足结构最优、性能最好。综合考虑刚度、强度和结构最优化。1、降低零件重量，减少材料使用量。2、缩短开发周期，减少样件实验次数。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法的初始设计域；
图2为底座结构的优化后的结构；
图3为底座结构的最终三维模型；
图4为底座结构装配的有限元模型；
图5为手柄的应力分布图；
图6为转轴的应力分布图；
图7为绕线盘的应力分布图；
图8为底座的应力分布图；
图9为现有底座结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见图1，一种手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，包括如下步骤：
1)确定制动操纵机构性能目标；
2)建立适合于手制动操纵机构的底座结构优化设计的有限元初始设计域， 利用三维建模软件将参数化模型导入有限元软件中，通过提取出底座的最大设计空间尺寸建立有限元初始设计域，如图1所示；
3)建立拓扑优化数学模型：
根据手制动操纵机构的材料，设定手柄、底座、转轴、绕线盘和车身安装板的弹性模量、泊松比和密度；
对模型进行网格划分，设定手柄、转轴、绕线盘和车身安装板为非设计区域，底座除安装孔附近其他都为设计区域；
在底座与车身安装板的安装孔施加固定约束，转轴与手柄固定连接，转轴与底座设置Y向旋转自由度，在手柄端部附近施加载荷；
4)迭代求解：
采用变密度优化材料分布法，以底座满足刚度和强度为设计目标，求出底座设计区域的最佳材料分布方案，如图2所示，并以此方案设计出优化后的底座的形状；
5)获得手制动操纵机构的底座的优化结构，如图3所示；
6)根据拓扑优化结果创建CAD模型；
7)分析优化后结构的刚度和强度。
在第4步中，以体积最小为优化目标。
在第4步中，优化约束：设计空间体积分数上限为0.3。
在第3步中，施加载荷的位置为离手柄端部50mm处。
优化前的结构重量为1.096kg，最终优化后的结构(图3)比初始结构(图9)有如下优点：1、结构简单，重量相比减轻416g；2、底座与车身安装面积减少，避免因底座平面度要求带来冲压工艺的浪费，也能更好地控制手制动安装的居中性。
在第7步中，建立手制动操纵机构有限元模型，如图4所示，手柄与转轴刚性连接，转轴与底座设置Y向转动自由度，底座与车身接触连接，在手柄上施加测试载荷，进行刚度与强度校核，如图5、6、7、8所示。
测试载荷为：两个侧向载荷100N的F1、F2和一个垂向载荷400N的F3。
刚度与强度校核内容包括：手柄最大应力、转轴最大应力、绕线盘最大应力、底座最大应力，并与各自屈服应力比较；校核内容还包括：手刹安装点刚度与手刹控制手柄侧向刚度。对比结果如表1和表2，均满足要求：
表1 应力计算结果
| Name | 最大应力(MPa) | 屈服应力(MPa) |
| Part 1 | 116.7 | 190.93 |
| Part 2 | 229.3 | 235 |
| Part 3 | 170.9 | 190.93 |
| Part 4 | 204.3 | 260.91 |
表2 底座安装点刚度校核结果
采用上述的方案后，通过优化设计理论，借助计算机虚拟分析技术，分析优化了手制动操纵机构结构，满足结构最优、性能最好。综合考虑刚度、强度和结构最优化。1、降低零件重量，减少材料使用量。2、缩短开发周期，减少样件实验次数。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，凡是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在 本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)确定制动操纵机构性能目标；
2)建立适合于手制动操纵机构的底座结构优化设计的有限元初始设计域，利用三维建模软件将参数化模型导入有限元软件中，通过提取出底座的最大设计空间尺寸建立有限元初始设计域；
3)建立拓扑优化数学模型：
根据手制动操纵机构的材料，设定手柄、底座、转轴、绕线盘和车身安装板的弹性模量、泊松比和密度；
对模型进行网格划分，设定手柄、转轴、绕线盘和车身安装板为非设计区域，底座除安装孔附近其他都为设计区域；
在底座与车身安装板的安装孔施加固定约束，转轴与手柄固定连接，转轴与底座设置Y向旋转自由度，在手柄端部附近施加载荷；
4)迭代求解：
采用变密度优化材料分布法，以底座满足刚度和强度为设计目标，求出底座设计区域的最佳材料分布方案，并以此方案设计出优化后的底座的形状；
5)获得手制动操纵机构的底座的优化结构；
6)根据拓扑优化结果创建CAD模型；
7)分析优化后结构的刚度和强度。
2.如权利要求1所述的手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，其特征在于，在第4步中，以体积最小为优化目标。
3.如权利要求1所述的手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，其特征在于，在第4步中，优化约束：设计空间体积分数上限为0.3。
4.如权利要求1所述的手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，其特征在于，在第3步中，施加载荷的位置为离手柄端部50mm处。
5.如权利要求1所述的手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，其特征在于，在第7步中，建立手制动操纵机构有限元模型，手柄与转轴刚性连接，转轴与底座设置Y向转动自由度，底座与车身接触连接，在手柄上施加测试载荷，进行刚度与强度校核。
6.如权利要求5所述的手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，其特征在于，刚度与强度校核内容包括：手柄最大应力、转轴最大应力、绕线盘最大应力、底座最大应力，并与各自屈服应力比较；校核内容还包括：手刹安装点刚度与手刹控制手柄侧向刚度。
7.如权利要求5所述的手制动操纵机构的底座结构的优化设计方法，其特征在于，测试载荷为：两个侧向载荷100N和一个垂向载荷400N。
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