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某车型换挡软轴支架CAE结构优化分析
2016-07-05 21:19:29  作者:张敏  来源:互联网
  •   1 概述   汽车的换挡操纵性能是评价汽车可操控性能的一项重要参数,换挡的顺利与否直接影响到驾驶员的工作强度及驾车心情,而换挡软轴支架的刚度及强度直接影响到换挡的操控性,因此,提高换挡软轴支架的 ...

  1 概述

  汽车的换挡操纵性能是评价汽车可操控性能的一项重要参数,换挡的顺利与否直接影响到驾驶员的工作强度及驾车心情,而换挡软轴支架的刚度及强度直接影响到换挡的操控性,因此,提高换挡软轴支架的刚度有助于提高整车的可操控性。本文利用HyperWorks中的OptiStruct模块对换挡软轴支架进行拓扑优化分析,在原支架基础上改进,使之即提高刚度、强度性能,又减轻重量,从而减轻汽车重量并提高车辆的可操控性能。

  2 换挡软轴支架结构分析

  本文以某重型自卸车换挡软轴支架作为研究对象,建立有限元模型,该模型重2.4Kg,采用6mm厚钢板拼焊而成,见图2。本次分析所涉及到的材料参数如表1所示。

  

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  结构有限元分析的边界条件十分重要,它直接影响着分析结果的准确度,因此,我们有必要去对它的受力状况及约束等进行分析。换挡软轴支架受载分析,如图1所示。根据设计标准,该变速箱换挡臂上的拉力为F1,因换挡软轴弯曲布置,转弯处的夹角为θ、压力为N,软轴与管壁的摩擦系数,根据静力平衡原理,则软轴的拉力F:

  

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  该换挡软轴支架采用四面体单元、尺寸为5mm划分,共计73555个单元。根据公式③对软轴支架加载,见表2;在软轴支架的三个安装点做固定约束,如图2所示。分析结果见表3及图3.

  

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  按上述边界条件加载后,利用Altair 公司的HyperWorks软件平台自带的求解器Radioss进行计算,计算使用HyperView软件做后处理如下。

  

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  图3 换挡软轴支架结构变形及应力分布云图

  由分析可知:原支架结构在正常工作下的变形为0.073mm,最高应力值为49MPa,分布于加强筋处,远低于材料屈服强度,其安全系数为4.8。该支架具有较高的刚度、强度性能。因此,在满足结构性能的前提下,有必要对其结构进行优化设计,以此实现减轻重量的目的。

  3 换挡软轴支架拓扑优化及优化设计

  拓扑优化是一种在一定的空间区域内,在满足设计要求的情况下寻求材料最合理分布的优化方法,本文采用HyperWorks软件中OptiStruct模块进行优化,通过设定设计目标、约束函数等实现软轴支架的材料最合理化,达成结构的应力水平降低、刚度性能提升的目的。

  将原模型进行空间填充,并分成设计及非设计两部分,如图4所示,蓝色为非设计空间,紫色的为拓扑优化空间。设置拓扑优化参数如下:A)设计变量为单元密度;B)约束条件为体积比≤0.15;C)目标函数为柔度最小,D)成员控制为10到30mm。

  

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  图4 拓扑优化空间模型

  经过50步迭代计算后,最终材料密度分布见图5,目标函数迭代历程见图6。

  

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  在对换挡软轴支架结构重新优化设计时,不仅参考拓扑优化的结果,还要考虑到铸造模具的工艺、装配的性能、存放及运输情况等。因此,提出如下两种优化方案,如图7所示。

  

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  两种优化方案均采用精铸工艺,材料由Q235变更为ZG 200-400。结构分析结果如表4、图8及图9所示。

  

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  从两种优化方案分析结果对比来看,在满足强度性能的前提下,优化方案二质量最轻、刚度最高、应力分布最为均匀,且加工模具及工艺简单,因此,最终确定新换挡软轴支架结构为优化方案二。

  4 更替铸铝A380材料的合理性分析

  优化方案二仍具有较高的刚度及强度性能,可考虑使用新材料、新工艺来进一步降低结构重量、降低制造成本。根据国外沃尔沃、戴姆勒-奔驰等重型卡车资料表明,铝合金、铸铝材料已广泛应用于汽车零部件,有效地减少整车重量。因此,本文对优化方案二结构采用压铸铝的工艺进行合理性分析,进一步达成轻量化设计的目标。分析结果如表5、图10所示。

  

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  由表5及图11可以看出,采用铸铝A380材料的优化方案二的质量仅为0.4Kg,比原结构降低2Kg,安全系数为7.3,完全满足结构性能设计要求。新型换挡软轴支架结构如图11所示。

  

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  5 结束语

  通过对某车型换挡软轴支架结构进行有限元分析、拓扑优化设计及新材料、新工艺的合理性分析,确定了新型换挡软轴支架,经过实际装车试验,换挡力减少了15%,支架的寿命达到600万次以上,实现降低成本、缩短开发周期的目的。

  6 参考文献:

  [1] 苏新涛,陈志.某车型发动机悬置后支架优化设计和疲劳分析[J].计算机辅助工程,2011,20(4):49-52

  [2] 张胜兰,郑冬黎,郝琪等。基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工艺出版社,2007:169-284



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