某车型换挡软轴支架CAE结构优化分析

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：OptiStruct 拓扑优化 换挡软轴支架 刚度 铸铝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

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。

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：

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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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