CN108121834A - 商用车发动机发电机支架结构拓扑优化 - Google Patents

Abstract

一种商用车发动机发电机支架结构拓扑优化，主要进行了花键轴、轴管、万向节叉等传动轴零部件的静力分析。查阅相关资料，利用理论计算算出相应零部件危险截面的最大应力值，通过与有限元分析结果的对比，得出有限元分析的正确性。同时，通过对零部件最大变形量和最大应力的校核，得到各个零件都符合标准的结论。在对分总成的校核中，可以发现，传动轴分总成零件的应力值分布大小与单独分析各个零件的应力值大小相同，侧面证明出在有限元分析中，约束关系和加载方式的正确性，需要注意的是，在进行静力分析时，单独轴管静力分析得到的应力值普遍要比分总成中轴管静力分析得到的应力分布值要大一些，这可能与轴管与加载位置的距离有关，距离越近，则相应的应力值越大。在对危险点的处理上，由于危险点并没有超过零件材料的区服极限并且没有出现应力集中现象。

Description

商用车发动机发电机支架结构拓扑优化

技术领域

本发明涉及一种商用车发动机发电机支架结构拓扑优化，属于机械制造技术领域。

背景技术

汽车工业轻量化技术作为汽车行业关键的技术，己经在商用车设计领域得到了应用，研究人员越来越重视轻量化技术在汽车里的应用。例如北美汽车钢铁联盟委托Altair公司完成了一项SUV车架的优化设计，在没有改变材料，保证强度，刚度的情况下实现了车架的优化设计，新车架和原车架相比，质量减轻了23％，弯曲度提高了一点，扭转刚度也提高了30％，制造成本也远远低于采用铝合金材料的费用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在保证发电机支架安全性和可靠性的前提下，对支架进行结构拓扑优化设计，去掉低效或无效区的材料，保留高效区的材料，实现轻量化设计。

为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：一种商用车发动机发电机支架结构拓扑优化，包括以下步骤：

本发明的积极效果是：基于有限元法的分析及优化方法对汽车零部件的轻量化设计有一定的参考价值。

附图说明

图1为紧松边张力的合力和发电机重心处的受力图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种商用车发动机发电机支架结构拓扑优化，包括以下步骤：

1.支架有限元的建模及分析

1.1支架有限元的建模

对发电机支架进行三维实体建模后，以IGES格式导入到HyperWorks软件中。

支架进行网格划分时选择四面体单元，根据支架几何尺寸和精度要求确定单元尺寸为1.5mm，网格划分完后得到模型四面体单元数234904个，模型的节点数54201个。

支架的材料为球墨铸铁，其属性如表所示，本文在分析的过程中，采用的单位制为MPa。

发电机支架通过3个螺栓固定在前端板上，因此分析计算时对三个螺栓孔的内表面约束，限制x,y,z三个平动自由度。

根据电机支架的位置和其功用，确定支架所受载荷有电机重力G，大小是84N，方向负Y。皮带轮紧松边张力的合力F，大小是314N，方向偏离X方向39.14度。皮带轮张力合力向电机重心简化后的两个力偶：力偶M垂直于合力方向，大小是35329N·mm。力偶Mz为Z方向，大小是7425N·mm。载荷的作用点在电机重心上，电机重心通过刚性连接与支架模型相连。支架受力如图所示。

1.2静力分析

利用Opt模块对支架在组合工况下进行静力求解，得到静力分析结果。最大位移为0.0477mm，最大应力为20.3MPa，材料的屈服极限为310MPa，组合工况下的最大应力值远小于材料的屈服极限，有足够大的优化空间。

2优化设计

2.1定义拓扑优化参数

在进行优化之前，需要确定设计区域和非设计区域。将固定在前端板上的3个螺栓孔，用于和正时齿轮盖连接的2个圆孔，和电机连接的2个圆孔设定为非设计区域，其余为设计区域。

拓扑优化需要定义设计变量，响应，设计约束和目标函数。以支架设计空间里的每个单元的相对密度作为设计变量。定义两个响应：一个是体积响应，一个是位移响应。以支架的最大位移作为约束条件，以体积最小化作为目标函数。

2.2优化分析

利用Opt模块对支架进行优化分析。

从优化的结果中得到等值面图，在等值面图中可以设定一个密度门槛值，在密度门槛值以上的单元会被保留，从而可以得到在可设计区域内最优材料分配的等值面图，以此图为依据，对支架进行二次设计，在原支架模型的基础上进行几何修改。

2.3二次设计和分析

将优化的支架模型导入Pro/E软件，以等值面图作为依据确定减材料的区域。

将二次设计后的支架导入HyperWorks软件，再次进行有限元建模和静力分析。

表为支架二次设计前后静力分析结果的对比图：

从表中可以看出最大位移值和最大应力值在优化后都有所增加，支架最大应力值都远小于材料的屈服极限值310MPa，总质量从2.348kg下降到了1.811kg，减轻了22.87％。因此将拓扑优化的方法应用在支架的设计上有利于提高支架的生产效率，节约材料和时间，可以带来不错的经济效益。最后需要计算出支架的安全系数，安全系数为屈服极限与最大应力值的比值，大于1.1就是在安全范围内，由计算结果可知优化前的安全系数为15.3，优化后的安全系数为10.4，大于1.1，满足要求。

3.总结和展望

3.1总结

本文对商用车发动机发电机支架进行了结构拓扑优化设计，先对支架进行了有限元建模和静力分析，然后通过HyperWorks软件和Pro/E软件实现了支架的优化设计和二次设计，通过对优化结果进行比较，达到了优化的目的，主要成果如下：

(1)完成了支架的有限元建模，并进行了静力分析，得出位移图和应力图，最大应力值远小于屈服极限值，有很大的优化空间。

(2)采用变密度的方法对支架进行结构拓扑优化分析，得到等值面图，根据等值面图确定可去材料的区域，以此图为依据进行二次设计，去掉低效区的材料，保留高效区的材料。

(3)对二次设计后的模型进行分析并与优化前的结果对比，得出最大位移值和最大应力值在优化后都有所增加，但最大应力值都远小于材料的屈服极限值，这是可以接受的。虽然最大位移值和最大应力值在优化够有所增加，但是总质量减轻了22.87％，安全系数也满足要求，达到了优化的目的。

3.2不足和展望

(1)课题仅仅只对支架进行了静力分析，日后可以对支架进行动力学分析，得出支架在动态载荷的作用下的应力，位移的变化，并和在静态载荷的作用下的应力，位移作比较。

(2)日后可以改变支架的边界条件，载荷来观察支架的优化结果，得出最优材料分配的结果。也可以对支架进行形貌优化，尺寸优化等。

(3)对支架进行模态分析也是可以尝试的，通过模态分析可以知道支架在一定的模态频率下以什么样的形式在振动，也可以获得支架的各阶共振频率值，从而可以知道支架在发电机工作的时候是否会发生共振。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种传动轴总成的结构优化，其特征在于，包括以下步骤：

1.支架有限元的建模及分析

1.1支架有限元的建模

对发电机支架进行三维实体建模后，以IGES格式导入到HyperWorks软件中；

支架进行网格划分时选择四面体单元，根据支架几何尺寸和精度要求确定单元尺寸为1.5mm，网格划分完后得到模型四面体单元数234904个，模型的节点数54201个；

支架的材料为球墨铸铁，其属性如表所示，本文在分析的过程中，采用的单位制为MPa；

发电机支架通过3个螺栓固定在前端板上，因此分析计算时对三个螺栓孔的内表面约束，限制x,y,z三个平动自由度；

根据电机支架的位置和其功用，确定支架所受载荷有电机重力G，大小是84N，方向负Y；皮带轮紧松边张力的合力F，大小是314N，方向偏离X方向39.14度；皮带轮张力合力向电机重心简化后的两个力偶：力偶M垂直于合力方向，大小是35329N·mm；力偶Mz为Z方向，大小是7425N·mm；载荷的作用点在电机重心上，电机重心通过刚性连接与支架模型相连；支架受力如图所示；

1.2静力分析

利用Opt模块对支架在组合工况下进行静力求解，得到静力分析结果；最大位移为0.0477mm，最大应力为20.3MPa，材料的屈服极限为310MPa，组合工况下的最大应力值远小于材料的屈服极限，有足够大的优化空间；

2优化设计

2.1定义拓扑优化参数

在进行优化之前，需要确定设计区域和非设计区域；将固定在前端板上的3个螺栓孔，用于和正时齿轮盖连接的2个圆孔，和电机连接的2个圆孔设定为非设计区域，其余为设计区域；

拓扑优化需要定义设计变量，响应，设计约束和目标函数；以支架设计空间里的每个单元的相对密度作为设计变量；定义两个响应：一个是体积响应，一个是位移响应；以支架的最大位移作为约束条件，以体积最小化作为目标函数；

2.2优化分析

利用Opt模块对支架进行优化分析；

从优化的结果中得到等值面图，在等值面图中可以设定一个密度门槛值，在密度门槛值以上的单元会被保留，从而可以得到在可设计区域内最优材料分配的等值面图，以此图为依据，对支架进行二次设计，在原支架模型的基础上进行几何修改；

2.3二次设计和分析

将优化的支架模型导入Pro/E软件，以等值面图作为依据确定减材料的区域；

将二次设计后的支架导入HyperWorks软件，再次进行有限元建模和静力分析；

表为支架二次设计前后静力分析结果的对比图：

从表中可以看出最大位移值和最大应力值在优化后都有所增加，支架最大应力值都远小于材料的屈服极限值310MPa，总质量从2.348kg下降到了1.811kg，减轻了22.87％；因此将拓扑优化的方法应用在支架的设计上有利于提高支架的生产效率，节约材料和时间，可以带来不错的经济效益；最后需要计算出支架的安全系数，安全系数为屈服极限与最大应力值的比值，大于1.1就是在安全范围内，由计算结果可知优化前的安全系数为15.3，优化后的安全系数为10.4，大于1.1，满足要求；

3.总结和展望

3.1总结

本文对商用车发动机发电机支架进行了结构拓扑优化设计，先对支架进行了有限元建模和静力分析，然后通过HyperWorks软件和Pro/E软件实现了支架的优化设计和二次设计，通过对优化结果进行比较，达到了优化的目的，主要成果如下：

(1)完成了支架的有限元建模，并进行了静力分析，得出位移图和应力图，最大应力值远小于屈服极限值，有很大的优化空间；

(2)采用变密度的方法对支架进行结构拓扑优化分析，得到等值面图，根据等值面图确定可去材料的区域，以此图为依据进行二次设计，去掉低效区的材料，保留高效区的材料；

(3)对二次设计后的模型进行分析并与优化前的结果对比，得出最大位移值和最大应力值在优化后都有所增加，但最大应力值都远小于材料的屈服极限值，这是可以接受的；虽然最大位移值和最大应力值在优化够有所增加，但是总质量减轻了22.87％，安全系数也满足要求，达到了优化的目的；

3.2不足和展望

(1)课题仅仅只对支架进行了静力分析，日后可以对支架进行动力学分析，得出支架在动态载荷的作用下的应力，位移的变化，并和在静态载荷的作用下的应力，位移作比较；

(2)日后可以改变支架的边界条件，载荷来观察支架的优化结果，得出最优材料分配的结果；也可以对支架进行形貌优化，尺寸优化等；

(3)对支架进行模态分析也是可以尝试的，通过模态分析可以知道支架在一定的模态频率下以什么样的形式在振动，也可以获得支架的各阶共振频率值，从而可以知道支架在发电机工作的时候是否会发生共振。