基于形貌优化的某汽车制动盘防尘罩设计

2023-03-17何代澄

汽车实用技术 2023年5期

何代澄

（南方天合底盘系统有限公司技术部，重庆 402760）

汽车制动盘防尘罩作为汽车制动器系统中的重要零部件之一，其主要作用是为制动盘阻挡飞溅起来的泥土、砂石等物体，防止制动盘与制动块之间卡住飞溅起来的物体，从而有效避免制动器系统因飞溅起来的物体而损坏。然而，汽车制动盘防尘罩在汽车行驶过程中会受到振动等载荷，从而导致汽车制动盘防尘罩容易产生振动噪声甚至失效。因此，对汽车制动盘防尘罩的结构进行合理设计具有重要意义。

有限元仿真分析技术可以有效缩短产品开发周期，已广泛应用到汽车及其零部件的开发过程中，以验证产品结构设计的合理性[1-2]。在有限元仿真分析技术中采用形貌优化方法，可以有效提高零部件的模态频率、减轻结构振动、减少结构变形量等，已广泛应用到各种冲压钣金零部件的结构优化设计中[3-7]。

本文主要是基于形貌优化方法，利用有限元仿真分析技术对某汽车制动盘防尘罩的结构进行设计分析，确定满足某新汽车制动盘防尘罩开发所需求的最佳形貌结构，避免汽车制动盘防尘罩在使用过程中产生振动噪声甚至失效，为汽车制动盘防尘罩的开发提供理论依据。

1 防尘罩设计要求

本文汽车制动盘防尘罩的有限元仿真分析模型采用HyperMesh进行前处理，采用HyperView进行后处理。其中，钣金件采用三角形及四边形单元进行离散，基本单元尺寸为2 mm。制动盘防尘罩的材料为DC01，其弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.9×10-9t/mm3。要求设计的汽车制动盘防尘罩外径为φ382 mm，厚度为 1 mm，且需满足第1阶模态频率大于100 Hz的企业标准。

2 防尘罩形貌优化

2.1 形貌优化模型

有限元仿真分析模型的建立是进行不同类型仿真分析的基础，而建立准确仿真分析模型的关键是需要选择合适的建模方法，本文建立的某汽车制动盘防尘罩的形貌优化模型如图1所示，其中三个螺栓安装孔处用RBE2单元模拟连接，同时约束各自RBE2单元对应中心的6个自由度。

图1 汽车制动盘防尘罩的优化模型

在建立汽车制动盘防尘罩的形貌优化模型时，需要确定其可设计区域和非可设计区域，从图2中可以看出本文汽车制动盘防尘罩的设计空间，其中与制动盘相连接的安装孔位及其平面、防尘罩边缘为非可设计区域，其余为可设计区域。在约束条件下，优化过程中需对汽车制动盘防尘罩的可设计区域的单元节点坐标进行调整，而汽车制动盘防尘罩的非可设计区域的所有单元节点坐标仍然保持不变。

图2 汽车制动盘防尘罩的设计空间

2.2 形貌优化参数

在汽车制动盘防尘罩的形貌优化参数定义时，最小起筋宽度根据单元尺寸的大小确定为 5 mm，起筋的最大高度根据制动盘防尘罩的安装空间大小、冲压加工工艺及材料成型特性确定为 8 mm，起筋角确定为60°。形貌优化时采用单向起筋方式，在汽车制动盘防尘罩的设计空间与非设计空间的交界区建立缓冲区，同时形状变量沿单元法向方向移动。优化目标为汽车制动盘防尘罩第1阶模态频率在满足设计要求的前提下尽量最大化。

2.3 形貌优化结果

经求解器计算后，该汽车制动盘防尘罩形貌优化结果如图3所示，可以明显看出起筋分布和起筋方向，该汽车制动盘防尘罩的形貌优化结果在给定的壳单元结构下，指定的可设计区域内确定了满足约束条件的加强筋最佳设计结构及布置，以获得较高的第1阶模态频率。

图3 汽车制动盘防尘罩的优化结果

3 防尘罩结构设计及分析

3.1 结构设计

综合考虑设计和制造因素，以上述的汽车制动盘防尘罩形貌优化结果为基础，设计的汽车制动盘防尘罩结构如图4所示，该汽车制动盘防尘罩结构是在满足约束条件下，对可设计区域进行离散处理后得到的节点进行相应坐标调整，从而确定满足设计目标的最佳节点位置，再将优化后的节点进行曲面重构，所得到的汽车制动盘防尘罩的最佳形貌结构。

图4 优化后的汽车制动盘防尘罩结构

3.2 结构分析

为了验证基于形貌优化结果而设计的汽车制动盘防尘罩结构是否满足要求，建立上述优化后的汽车制动盘防尘罩结构的有限元仿真分析模型，其中三个螺栓安装孔处用RBE2单元模拟连接，同时约束各自RBE2单元对应中心的6个自由度，并对该优化后的汽车制动盘防尘罩结构进行模态分析。图5为优化后的汽车制动盘防尘罩模态分析结果，可以看出，基于形貌优化而设计的汽车制动盘防尘罩结构的第1阶模态频率为118.04 Hz，满足大于100 Hz的要求。