楊麗娜，楊和利

汽車傳動軸輕量化設(shè)計研究

楊麗娜，楊和利

（德州學院，汽車工程學院，山東德州253023）

研究了基于拓撲方法的某型汽車傳動軸輕量化設(shè)計。首先利用UG進行汽車傳動軸建模，將三維模型導入ANSYS中，根據(jù)傳動軸的受力情況確定其邊界條件，然后以傳動軸質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，利用拓撲優(yōu)化設(shè)計算法對其進行計算，最后在同等受力工況下對比優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)強度，在滿足靜強度的條件下，優(yōu)化后的傳動軸壁厚變薄，實現(xiàn)了汽車傳動軸輕量化設(shè)計。

汽車傳動軸；ansys；拓撲優(yōu)化；輕量化設(shè)計

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現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計這一目的，如采用鋁、鎂、玻璃纖維等輕質(zhì)材料，采取優(yōu)化設(shè)計算法，改善車輛零部件結(jié)構(gòu)。本文以傳動軸質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，利用拓撲優(yōu)化設(shè)計算法對其進行計算，在同等受力工況下對比優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)強度，在滿足靜強度的條件下，優(yōu)化后的傳動軸壁厚變薄，實現(xiàn)了汽車傳動軸輕量化設(shè)計。

1 拓撲優(yōu)化理論基礎(chǔ)研究

在拓撲優(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個單元，則每個單元為xi（i=1，2.3...，n），優(yōu)化后若第j個單元為非必要單元則Xj為0，反之則為1[2].相對于傳統(tǒng)優(yōu)化簡單方便，在傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計過程中，優(yōu)化變量的尺寸和參數(shù)是必不可少的，但是在拓撲優(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)體拓撲優(yōu)化中使用較成熟的方法有三種，分別為漸進結(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中默認的優(yōu)化方法即為變密度法[3]。其數(shù)學表達式為：

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

在進行拓撲優(yōu)化前要確定其計算流程，首先確定拓撲優(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)建出用于拓撲優(yōu)化設(shè)計的數(shù)據(jù)空間，然后對以上數(shù)據(jù)空間進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置目標優(yōu)化參數(shù)并對其進行優(yōu)化計算，得到優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，對優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果進行合理性分析，若優(yōu)化結(jié)果不合理，則修改優(yōu)化參數(shù)重新對以上數(shù)據(jù)空間進行網(wǎng)格劃分，若計算結(jié)果合理，則對拓撲優(yōu)化的結(jié)果進一步分析。

本論文是從金屬材料的力學性能出發(fā)，借助UG繪圖軟件來設(shè)計傳動軸3D模型，導入有限元分析軟件ANSYS中建立起汽車傳動軸的有限元模型。通過拓撲算法實現(xiàn)傳動軸的優(yōu)化設(shè)計。

2 汽車傳動軸三維模型建立

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

圖1 汽車傳動軸總成3D模型

3 仿真計算

在ANSYS中定義傳動軸材料屬性和力學特性，如表1所示。

表1 傳動軸材料屬性

本論文對傳動軸實體模型進行了幾何清理和簡化，采用更易于收斂的三角形單元對傳動軸進行網(wǎng)格劃分，劃分完共得到9 864個單元和8 986個節(jié)點，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳動軸網(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，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)化標的目標傳動軸拓撲優(yōu)化模型，將以上模型數(shù)據(jù)以APDL的方式輸入ANSYS中進行分析，由于篇幅限制這里不附代碼。經(jīng)過26次迭代得到傳動軸拓撲優(yōu)化結(jié)果，圖3是根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計得到的傳動軸模型。

圖3 優(yōu)化后的傳動軸模型

在同等受力工況下對優(yōu)化前后的傳動軸進行靜強度分析，分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的傳動軸力學性能得到改善。

圖4 同等受力情況下優(yōu)化前后靜強度分析對比

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

表2 優(yōu)化前后傳動軸性能參數(shù)對比

4 結(jié)束語

利用UG對汽車傳動軸進行建模，以傳動軸質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，利用拓撲優(yōu)化設(shè)計算法對其進行優(yōu)化計算，在滿足靜強度的條件下，傳動軸質(zhì)量減小了20.8%，實現(xiàn)了汽車傳動軸輕量化設(shè)計，為汽車傳動軸優(yōu)化設(shè)計提供了有效方法。

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

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

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

[4]季鋼.汽車傳動軸臨界轉(zhuǎn)速的有限元法計算[J].機械工藝師，2000（11）：32-33.

[5]呂靜敏.汽車傳動軸有限元分析[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，主要研究方向為汽車服務(wù)工程。