汽車傳動(dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)研究

楊麗娜，楊和利

汽車傳動(dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)研究

楊麗娜，楊和利

（德州學(xué)院，汽車工程學(xué)院，山東德州253023）

研究了基于拓?fù)浞椒ǖ哪承推噦鲃?dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)。首先利用UG進(jìn)行汽車傳動(dòng)軸建模，將三維模型導(dǎo)入ANSYS中，根據(jù)傳動(dòng)軸的受力情況確定其邊界條件，然后以傳動(dòng)軸質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，最后在同等受力工況下對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在滿足靜強(qiáng)度的條件下，優(yōu)化后的傳動(dòng)軸壁厚變薄，實(shí)現(xiàn)了汽車傳動(dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)。

汽車傳動(dòng)軸；ansys；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化設(shè)計(jì)

相關(guān)資料表明，汽車質(zhì)量減小10%便可節(jié)約6%～8%左右的燃油[1]。目前有許多方法來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)這一目的，如采用鋁、鎂、玻璃纖維等輕質(zhì)材料，采取優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，改善車輛零部件結(jié)構(gòu)。本文以傳動(dòng)軸質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，在同等受力工況下對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在滿足靜強(qiáng)度的條件下，優(yōu)化后的傳動(dòng)軸壁厚變薄，實(shí)現(xiàn)了汽車傳動(dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)。

1 拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)研究

在拓?fù)鋬?yōu)化過程中首先應(yīng)建立基礎(chǔ)模型，然后通過最優(yōu)化搜索方法保留結(jié)構(gòu)中必要部分，去掉非必要部分，以確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)布局，以整體結(jié)構(gòu)離散成n個(gè)單元，則每個(gè)單元為xi（i=1，2.3...，n），優(yōu)化后若第j個(gè)單元為非必要單元?jiǎng)tXj為0，反之則為1[2].相對(duì)于傳統(tǒng)優(yōu)化簡單方便，在傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化變量的尺寸和參數(shù)是必不可少的，但是在拓?fù)鋬?yōu)化中，只需要定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型、材料特性、約束、載荷及要省去的材料的百分比即可。目前，連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化中使用較成熟的方法有三種，分別為漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、均勻法和變密度法。變密度法基本思想是將連續(xù)體離散為密度為[0－1]之間的可變材料，以單元密度作為設(shè)計(jì)變量以尋找材料最優(yōu)分布。其中變密度法已廣泛應(yīng)用于商業(yè)軟件中，ANSYS中默認(rèn)的優(yōu)化方法即為變密度法[3]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中：F（x）為目標(biāo)函數(shù)；gj（x）為約束條件；m為不等式約束個(gè)數(shù)；hk（x）為等式約束；l表示等式約束個(gè)數(shù)[4，5]。

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前要確定其計(jì)算流程，首先確定拓?fù)鋬?yōu)化的方法及優(yōu)化軟件，即本文采用的變密度法和ANSYS軟件，其次構(gòu)建出用于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)空間，然后對(duì)以上數(shù)據(jù)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行合理性分析，若優(yōu)化結(jié)果不合理，則修改優(yōu)化參數(shù)重新對(duì)以上數(shù)據(jù)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，若計(jì)算結(jié)果合理，則對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果進(jìn)一步分析。

本論文是從金屬材料的力學(xué)性能出發(fā)，借助UG繪圖軟件來設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸3D模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中建立起汽車傳動(dòng)軸的有限元模型。通過拓?fù)渌惴▽?shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 汽車傳動(dòng)軸三維模型建立

汽車傳動(dòng)軸是由軸管、萬向節(jié)、十字軸和軸套等部件組成。首先根據(jù)所研究傳動(dòng)軸總成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；再根據(jù)傳動(dòng)軸每個(gè)部件的尺寸和結(jié)構(gòu)要求建立起各個(gè)部件的3D模型；然后，根據(jù)所研究汽車傳動(dòng)軸總成不同部件的安裝位置和相互之間的自由度約束進(jìn)行裝配，形成一個(gè)完整的汽車傳動(dòng)軸系統(tǒng)。一個(gè)完整的汽車傳動(dòng)軸包括萬向節(jié)、十字軸、軸管。圖1是汽車傳動(dòng)軸總成3D模型。

圖1 汽車傳動(dòng)軸總成3D模型

3 仿真計(jì)算

在ANSYS中定義傳動(dòng)軸材料屬性和力學(xué)特性，如表1所示。

表1 傳動(dòng)軸材料屬性

本論文對(duì)傳動(dòng)軸實(shí)體模型進(jìn)行了幾何清理和簡化，采用更易于收斂的三角形單元對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完共得到9 864個(gè)單元和8 986個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)軸網(wǎng)格劃分結(jié)果

設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，首先選用柔度最小作為優(yōu)化目標(biāo)，并設(shè)定去除材料體積約束比上限為20.8%，建立以柔度最小為優(yōu)化標(biāo)的目標(biāo)傳動(dòng)軸拓?fù)鋬?yōu)化模型，將以上模型數(shù)據(jù)以APDL的方式輸入ANSYS中進(jìn)行分析，由于篇幅限制這里不附代碼。經(jīng)過26次迭代得到傳動(dòng)軸拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，圖3是根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)得到的傳動(dòng)軸模型。

圖3 優(yōu)化后的傳動(dòng)軸模型

在同等受力工況下對(duì)優(yōu)化前后的傳動(dòng)軸進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的傳動(dòng)軸力學(xué)性能得到改善。

圖4 同等受力情況下優(yōu)化前后靜強(qiáng)度分析對(duì)比

對(duì)比優(yōu)化前后傳動(dòng)軸性能參數(shù)，傳動(dòng)軸總成質(zhì)量減少了20.8%，各項(xiàng)性能參數(shù)得到優(yōu)化，如表2所示。

表2 優(yōu)化前后傳動(dòng)軸性能參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

利用UG對(duì)汽車傳動(dòng)軸進(jìn)行建模，以傳動(dòng)軸質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在滿足靜強(qiáng)度的條件下，傳動(dòng)軸質(zhì)量減小了20.8%，實(shí)現(xiàn)了汽車傳動(dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)，為汽車傳動(dòng)軸優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效方法。

[1]劉歡.汽車傳動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變測試方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2]范翰斌.基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)的汽車傳動(dòng)軸疲勞壽命預(yù)測與研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2014.

[3]孫永將，張鋮.基于載貨汽車傳動(dòng)軸的應(yīng)用研究[J].輕型汽車技術(shù)，2014（Z1）：31-35.

[4]季鋼.汽車傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速的有限元法計(jì)算[J].機(jī)械工藝師，2000（11）：32-33.

[5]呂靜敏.汽車傳動(dòng)軸有限元分析[J].科技致富向?qū)В?012（08）：396.

Research on LightweightDesign of Automobile Drive Axle

YANG Li-na，YANG He-li
（College of Automobile Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023,China）

In this paper，the lightweight design of a certain type of automobile drive axle based on topological method is studied.The first use of UG automobile transmission shaft modeling，three-dimensional model into ABAQUS，the boundary conditions are determined according to the stress condition of the driving shaft，then to minimize the transmission shaft quality as the optimization goal，using topology optimization algorithm to calculate the final strength of the structure stress before and after optimization the same working conditions，in meet the static strength under the condition of optimized transmission shaft wall thickness becomes thin，the lightweight design of automotive transmission way.

automobile transmission shaft；ANSYS；topology optimization；lightweight design

U463.216

A

1672-545X（2017）02-0061-02

2016-11-28

楊麗娜（1994-），女，山東萊州人，本科，主要研究方向?yàn)槠嚪?wù)工程。