CN108280315A - 汽车柔性飞轮参数优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了汽车柔性飞轮参数优化设计方法，包括登录界面模块、设计进入界面模块、参数输入界面模块、参数计算界面模块、链接ANSYS APDL界面模块、分析结果界面模块；本发明改善了一般以经验法则与试误法为主的柔性飞轮设计程序，不需要过多的人为干涉，其生成APDL代码的过程快捷、方便，而且容易修改，避免很多重复的工作，能够节约大量的建模时间，将复杂载荷和边界条件定义成基本变量和因变量的连续或非连续方程，参数化建模。可大幅缩减设计时程；简单明了的柔性飞轮参数化设计系统用户接口，用户不需具艰涩的分析理论基础，即能完成柔性飞轮之优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零部件的设计方法，特别是汽车柔性飞轮参数优化设计方法。
背景技术
近年来，随着生活的进步与经济的发展，人们对于生活质量的要求不断提高，有效率的移动也成为人们追求的目标，于是，具备优越的移动效率及良好的舒适性的各种高性能车辆，不断的诞生。车辆的动力传动系统负有将发动机动力传送至车轮的重任，柔性飞轮便是传动系统中最重要的零件之一。
柔性飞轮又称为驱动盘，藉由螺栓分别与发动机曲轴及自动变速器中的液力变矩器锁固，达到动力传递的目的(如图1所示)。柔性飞轮并经由齿圈与启动马达连结，担负发动机启动的重任。现今自动变速车中，柔性飞轮已不再担负储存转动能量、使曲轴均匀旋转的作用，此项功能，已由具有更大转动惯量的扭矩转换器所承担。在汽车启动及转速急遽变化过程中，柔性飞轮均会承受到强烈的冲击负荷。启动时，柔性飞轮可能产生一定程度的径向变形；发动机转速急遽变化时，扭矩转换器可能会发生膨胀现象，而产生轴向位移，进而压迫到柔性飞轮，飞轮盘体将产生显著的轴向弯曲变形。
柔性飞轮的设计应同时考虑柔韧性、强度、结构共振及轻量化等因素及条件。柔性飞轮应具有柔韧性，以承受飞轮盘体的轴向弯曲变形，并保护动力传动系统免于损坏；柔性飞轮应具有足够的强度，以承受轴向及径向的冲击负荷，同时又能承受发动机的输出扭矩，以及高速旋转所形成的离心载荷作用；柔性飞轮之结构自然频率应避开发动机之怠速运转频率，以避免结构发生共振；柔性飞轮之总质量应以轻量化为设计原则，以增加发动机启动及加速、减速的反应效率。
目前柔性飞轮的设计概念，一般以经验法则与试误法为主。藉由经验的累积，决定飞轮的大致外型及尺寸，再藉由不断的设计绘图、仿真分析、修改设计、再分析等程序进行，旷日废时，最后的飞轮设计也不一定能达到最佳的性能。一般而言，由于柔性飞轮的设计需考虑多项因素，在短时间内，飞轮的性能欲同时达到各项设计需求，非常不容易。
发明内容
本发明目的是提供汽车柔性飞轮参数优化设计方法，以解决现有柔性飞轮的设计概念效率低、耗时久、各项设计需求达标困难等技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了汽车柔性飞轮参数优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1，建立EXCEL人机交互界面，设置EXCEL与ANSYS的接口；
步骤2，在EXCEL交互界面选择柔性飞轮样式与模块，勾选柔性飞轮设计参数及齿圈常数并输入参数初始值；
步骤3，在EXCEL交互界面输入分析项目与分析设定参数后执行；
步骤4，在EXCEL交互界面输入结构优化设定及控制参数后执行；
步骤5，对输入的柔性飞轮设计参数及齿圈常数根据系统内部自带的设计程序进行计算分析，将计算出的飞轮主要结构参数以ANSYS APDL语法自动绘制飞轮模型；
步骤6，对选定之分析项目进行静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析等；
步骤7，调用分析软件ANSYS输出比对分析数据结果是否合乎各项设计需求，如果是各项分析结果，并结束，若为否则进行下一步骤；
步骤8， 以ANSYS APDL语法进行结构优化并重复各项分析计算，以柔性飞轮之厚度、横截面外形及应力孔之参数化形状及位置为设计变量，同时考虑静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析等结果为限制条件，进行兼顾柔韧性、强度、避开结构共振及轻量化等需求的柔性飞轮结构优化设计，其优化之数学模型如下：
上式中，mf为柔性飞轮总质量(目标函数)，σvon为有限元分析所得之等效应力值，σd为设计应力值；nl为疲劳破坏寿命之分析值，NL为其下限；fi为柔性飞轮固有值，FL与FU分别为柔性飞轮固有值之下限与上限，共有r个自然频率纳入分析；xi设计变量，共有n个设计变量，上标Ｌ表示下限値，上标U表示上限値。
步骤9，比对分析结果是否合乎各项设计需求，若为是则输出各项分析结果，并结束，若为否则进行结构优化计算准备，再进行静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析；
步骤10，比对此阶段优化结果是否合乎各项设计需求，若为是则输出各项分析结果，并结束，若为否则计算各项分析值是否查过设定循环数，若为是则结束，若为否自动调整柔性飞轮之结构参数，返回步骤9。
作为优选，所述步骤2中的柔性飞轮设计的主要参数为：飞轮外直径、飞轮内孔直径、飞轮应力孔直径、飞轮应力孔节圆直径、应力孔与螺栓孔之角差、飞轮厚度、应力孔数目、螺栓数目。
作为优选，所述步骤2中齿圈常数为：齿圈齿数、齿圈节圆直径、齿圈根直径、齿圈内直径。
一种汽车柔性飞轮参数化设计系统，包括登录界面模块、设计进入界面模块、参数输入界面模块、参数计算界面模块、链接ANSYS APDL界面模块、分析结果界面模块；登录界面模块连接设计进入界面模块，进入界面模块再连接参数输入界面模块，参数输入界面模块再连接参数计算界面模块，参数计算界面模块再连接链接ANSYS APDL界面模块，最后ANSYS APDL界面模块连接分析结果界面模块。
进一步的，所述登录界面模块用于进行用户识别及登录；
进一步的，所述设计进入界面模块用于选择进入参数输入界面模块；
进一步的，所述参数输入界面模块用于输入柔性飞轮设计的主要参数及齿圈常数；
进一步的，所述参数计算界面模块用于计算并得出柔性飞轮的主要结构参数，以及用于将该主要结构参数进行传值、确定、清空等操作；
进一步的，所述ANSYS APDL界面模块用于柔性飞轮的主要结构参数及齿圈常数修改APDL命令流中的参数，以及用于驱动ANSYS进行后台运行，并用于调用该APDL命令流驱动ANSYS对柔性飞轮主要结构参数及齿圈常数得到的柔性飞轮进行分析，以及用于该主要结构参数进行简化、清空、修改和确定的操作；
进一步的，所述分析结果界面模块用于调用ANSYS分析结果并显示。
本发明改善了一般以经验法则与试误法为主的柔性飞轮设计程序，不需要过多的人为干涉，其生成 APDL 代码的过程快捷、方便，而且容易修改，避免很多重复的工作，能够节约大量的建模时间，将复杂载荷和边界条件定义成基本变量和因变量的连续或非连续方程，参数化建模。可大幅缩减设计时程；简单明了的柔性飞轮参数化设计系统用户接口，用户不需具艰涩的分析理论基础，即能完成柔性飞轮之优化设计。
附图说明
图1是现有柔性飞轮的结构示意图；
图2是本发明的主要流程图；
图3是本发明的主要结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图2，汽车柔性飞轮参数优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1，在微软Win 8、64位操作系統、内存RAM 16G以上、硬盘2~3T的电脑上，建立EXCEL人机交互界面，设置EXCEL与ANSYS的接口；如在 Excel 中按照 APDL 代码的格式编写好代码，迅速地完成节点的定义。对于节点编号不规则或者节点间有插入节点的情况下生成单元，在 Excel 中将所有行代码按照 X、Y或 Z 坐标排序，随后根据生成单元的 APDL 命令格式，将单元起始节点号按排序后的结果复制到 APDL 相应列，单元终点按排序后的结果向上错动一行复制到 APDL 相应列，即生成单元的 APDL 代码。
步骤2，在EXCEL交互界面选择柔性飞轮样式与模块，勾选柔性飞轮设计参数及齿圈常数并输入参数初始值；
步骤3，在EXCEL交互界面输入分析项目与分析设定参数后执行；
步骤4，在EXCEL交互界面输入结构优化设定及控制参数后执行；
步骤5，对输入的柔性飞轮设计参数及齿圈常数根据系统内部自带的设计程序进行计算分析，将计算出的飞轮主要结构参数以ANSYS APDL语法自动绘制飞轮模型；
步骤6，对选定之分析项目进行静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析等；
步骤7，调用分析软件ANSYS输出比对分析数据结果是否合乎各项设计需求，如果是各项分析结果，并结束，若为否则进行下一步骤；
步骤8， 以ANSYS APDL语法进行结构优化并重复各项分析计算，以柔性飞轮之厚度、横截面外形及应力孔之参数化形状及位置为设计变量，同时考虑静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析等结果为限制条件，进行兼顾柔韧性、强度、避开结构共振及轻量化等需求的柔性飞轮结构优化设计，其优化之数学模型如下：
上式中，mf为柔性飞轮总质量(目标函数)，σvon为有限元分析所得之等效应力值，σd为设计应力值；nl为疲劳破坏寿命之分析值，NL为其下限；fi为柔性飞轮固有值，FL与FU分别为柔性飞轮固有值之下限与上限，共有r个自然频率纳入分析；xi设计变量，共有n个设计变量，上标Ｌ表示下限値，上标U表示上限値。
步骤9，比对分析结果是否合乎各项设计需求，若为是则输出各项分析结果，并结束，若为否则进行结构优化计算准备，再进行静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析；
步骤10，比对此阶段优化结果是否合乎各项设计需求，若为是则输出各项分析结果，并结束，若为否则计算各项分析值是否查过设定循环数，若为是则结束，若为否自动调整柔性飞轮之结构参数，返回步骤9。
步骤2中的柔性飞轮设计的主要参数为：飞轮外直径、飞轮内孔直径、飞轮应力孔直径、飞轮应力孔节圆直径、应力孔与螺栓孔之角差、飞轮厚度、应力孔数目、螺栓数目。
步骤2中齿圈常数为：齿圈齿数、齿圈节圆直径、齿圈根直径、齿圈内直径。
本发明利用飞轮质量、转动惯量与结构参数之间的内在关系，获得最优飞轮结构尺寸。
如图3所示，一种汽车柔性飞轮参数化设计系统，包括登录界面模块、设计进入界面模块、参数输入界面模块、参数计算界面模块、链接ANSYS APDL界面模块、分析结果界面模块；登录界面模块连接设计进入界面模块，进入界面模块再连接参数输入界面模块，参数输入界面模块再连接参数计算界面模块，参数计算界面模块再连接链接ANSYS APDL界面模块，最后ANSYS APDL界面模块连接分析结果界面模块。
进一步的，所述登录界面模块用于进行用户识别及登录；
进一步的，所述设计进入界面模块用于选择进入参数输入界面模块；
进一步的，所述参数输入界面模块用于输入柔性飞轮设计的主要参数及齿圈常数；
进一步的，所述参数计算界面模块用于计算并得出柔性飞轮的主要结构参数，以及用于将该主要结构参数进行传值、确定、清空等操作；
进一步的，所述ANSYS APDL界面模块用于柔性飞轮的主要结构参数及齿圈常数修改APDL命令流中的参数，以及用于驱动ANSYS进行后台运行，并用于调用该APDL命令流驱动ANSYS对柔性飞轮主要结构参数及齿圈常数得到的柔性飞轮进行分析，以及用于该主要结构参数进行简化、清空、修改和确定的操作；
进一步的，所述分析结果界面模块用于调用ANSYS分析结果并显示。
最后，应当指出，以上具体实施方式仅是发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述具体实施方式，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.汽车柔性飞轮参数优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1，建立EXCEL人机交互界面，设置EXCEL与ANSYS的接口；
步骤2，在EXCEL交互界面选择柔性飞轮样式与模块，勾选柔性飞轮设计参数及齿圈常数并输入参数初始值；
步骤3，在EXCEL交互界面输入分析项目与分析设定参数后执行；
步骤4，在EXCEL交互界面输入结构优化设定及控制参数后执行；
步骤5，对输入的柔性飞轮设计参数及齿圈常数根据系统内部自带的设计程序进行计算分析，将计算出的飞轮主要结构参数以ANSYS APDL语法自动绘制飞轮模型；
步骤6，对选定之分析项目进行静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析等；
步骤7，调用分析软件ANSYS输出比对分析数据结果是否合乎各项设计需求，如果是各项分析结果，并结束，若为否则进行下一步骤；
步骤8， 以ANSYS APDL语法进行结构优化并重复各项分析计算，以柔性飞轮之厚度、横截面外形及应力孔之参数化形状及位置为设计变量，同时考虑静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析等结果为限制条件，进行兼顾柔韧性、强度、避开结构共振及轻量化等需求的柔性飞轮结构优化设计，其优化之数学模型如下：
上式中，mf为柔性飞轮总质量(目标函数)，σvon为有限元分析所得之等效应力值，σd为设计应力值；nl为疲劳破坏寿命之分析值，NL为其下限；fi为柔性飞轮固有值，FL与FU分别为柔性飞轮固有值之下限与上限，共有r个自然频率纳入分析；xi设计变量，共有n个设计变量，上标Ｌ表示下限値，上标U表示上限値；
步骤9，比对分析结果是否合乎各项设计需求，若为是则输出各项分析结果，并结束，若为否则进行结构优化计算准备，再进行静态分析、离心负载分析、模态分析及疲劳分析；
步骤10，比对此阶段优化结果是否合乎各项设计需求，若为是则输出各项分析结果，并结束，若为否则计算各项分析值是否查过设定循环数，若为是则结束，若为否自动调整柔性飞轮之结构参数，返回步骤9。
2.根据权利要求1所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述步骤2中的柔性飞轮设计的主要参数为：飞轮外直径、飞轮内孔直径、飞轮应力孔直径、飞轮应力孔节圆直径、应力孔与螺栓孔之角差、飞轮厚度、应力孔数目、螺栓数目。
3.根据权利要求1所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述步骤2中齿圈常数为：齿圈齿数、齿圈节圆直径、齿圈根直径、齿圈内直径。
4.根据权利要求1所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于一种汽车柔性飞轮参数化设计系统，包括登录界面模块、设计进入界面模块、参数输入界面模块、参数计算界面模块、链接ANSYS APDL界面模块、分析结果界面模块；其特征在于登录界面模块连接设计进入界面模块，进入界面模块再连接参数输入界面模块，参数输入界面模块再连接参数计算界面模块，参数计算界面模块再连接链接ANSYS APDL界面模块，最后ANSYS APDL界面模块连接分析结果界面模块。
5.根据权利要求4所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述登录界面模块用于进行用户识别及登录。
6.根据权利要求4所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述设计进入界面模块用于选择进入参数输入界面模块。
7.根据权利要求4所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述所述参数输入界面模块用于输入柔性飞轮设计的主要参数及齿圈常数。
8.根据权利要求4所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述所述参数计算界面模块用于计算并得出柔性飞轮的主要结构参数，以及用于将该主要结构参数进行传值、确定、清空等操作。
9.根据权利要求4所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述所述ANSYSAPDL界面模块用于柔性飞轮的主要结构参数及齿圈常数修改APDL命令流中的参数，以及用于驱动ANSYS进行后台运行，并用于调用该APDL命令流驱动ANSYS对柔性飞轮主要结构参数及齿圈常数得到的柔性飞轮进行分析，以及用于该主要结构参数进行简化、清空、修改和确定的操作。
10.根据权利要求4所述的汽车柔性飞轮参数优化设计方法，其特征在于所述分析结果界面模块用于调用ANSYS分析结果并显示。
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