A shifting shaft bracket CAE structure optimization analysis
张敏
长沙福田汽车有限公司技术中心CAE分析室长沙410129
摘要：本文对某重型自卸车的换挡软轴支架进行轻量化设计，首先对软轴支架进行有限元分析，该结构具有较高的强度、刚度性能；然后用OptiStruct对支架进行拓扑优化设计，在保证刚度性能的前提下，得到材料的最佳分布；在此基础上，通过两种优化方案的对比得到质量最轻、应力水平最低且应力分布比较均匀的轻量化设计方案，并分析更替材料合理性，确定采用铸铝A380材料。最后，将优化后的支架装车试验，结果表明换挡力降低了15%，寿命达600万次以上。
关键词：OptiStruc拓扑优化换挡软轴支架刚度铸铝A380
Abstract :This article has carried out a lightweight design to a bracket of shifting flexible shaft of a heavy dump truck. firstly , FEM analysis was executed to the bracket. The result indicated that the bracket has better stress and stiffness properties; Then, Topology optimization was carried out to the bracket by OptiStruct to obtain the best distribution of the material of the bracket under the premise of t
he guaranteeing its stiffness properties. On this basis, the design which has the lightest quality, lowest stress levels and more even distributed stress was obtained through comparing two optimization plan, and then, cast aluminum A380 was determined to use to manufacture the bracket by analyzing rationality of changing material. Finally, a experiment validating the rationality of the design was carried on , and, the result of the experiment shown that the force of gear change Reduced by 15% and the life of the bracket above 6,000,000 times.
Key words: OptiStruc；topology; the bracket of shifting flexible; stiffness; cast aluminum A380
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
常州工学院学报
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。
伦敦铜表1 材料特性
材料名称 牌号 弹性模量（MPa ） 泊松比 密度(Kg/mm 3
) 抗拉强度（MPa ） 屈服强度 （MPa ） 热板 Q235A 2.1×105
0.3 7.85×10-9 410 235 铸铝 A380
7.25×104
0.33 2.73×10-9 320 160 铸铁
ZG200-400 2.1×105
0.30
7.85×10-9
400
200
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F 1，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µ，根据静力平衡原理，则软轴的拉力F ：
N F F µ+=1 ①
根据力学三角函数式，则压力N 为：
2
2θ
COS
F N ×= ② 由公式①②可得拉力F 为：
2
211
θ
µCOS
纽虫
F F −=
③
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.
表2 换挡软轴支架受载情况
名称 轴向拉力（N)
竖向压力（N ）
医学新知约束 换挡软轴支架
200
300
连接螺孔处
图2换挡软轴支架原结构有限元模型
按上述边界条件加载后，利用Altair 公司的HyperMesh 软件自带的求解器OptiStruc 进行计算，计算
使用HyperView 软件做后处理处理如下。
图1 拉线在软管内的受力示意图
曹妃甸国际生态城表3 分析结果
零件重量（Kg）变形（mm）
应力（MPa）
安全系数Von Mises应力拉应力
换挡软轴支架 2.40 0.073 49 61 4.8
A) 变形 B） Von Mises应力
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，蓝为非设计空间，紫的为拓扑优化空间。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10~30mm。
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。
图5 拓扑优化结果图6 目标函数迭代历程曲线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。
A）优化方案一 B）优化方案二
图7 两种优化结构
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。
表4 两种优化方案与原结构分析对比
零件材料重量（Kg）变形（mm）
应力（MPa）
安全系数Von Mises应力拉应力
原模型Q235 2.40 0.073 49 61 4.8
优化方案一
ZG200-400 1.61 0.053 31 32 6.5
优化方案二 1.25 0.049 36 42 5.6
A）优化方案一 B）优化方案二
图8 两种优化方案的变形分布云图
A）优化方案一 B）优化方案二
图9 两种优化方案的应力分布云图
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。
表5 优化方案二采用铸铝A380材料的分析结果
零件材料
重量
（Kg）
变形（mm）
堆云堆雪应力（MPa）
安全系数
Von Mises应力拉应力
优化方案二A380 0.4 0.1 22 28 7.3
A）变形 B）Von Mises应力
图10 优化方案二采用铸铝A380材料的变形及应力分布云图
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。
图11 新型换挡软轴支架（优化方案二采用铸铝A380）结构效果图
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。
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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