（机械工程专业论文）档位片有限元分析及优化设计.pdf

i ， ，0 j 、7 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年_ 月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名： 导师签名：蒸查查皇e l 山口 9y r 。 档位片有限元分析及优化设计 摘要 档位片有限元分析及优化设计 摘要 电动工具( 如直流手枪钻) 换档钮中的档位片是一种弹性元件，形状如弓型，弧顶 突点与扭力罩内圈的分度齿啮合，起到定位和调节扭力大小的作用。 档位片的结构决定其弹性性能，弹性性能对其使用寿命和使用功能有着直接的影 响，过硬容易断裂，造成使用寿命不够；过软导致弹性太小，无法起到定位的作用。 如何在新产品开发的过程中，设计出最优化的结构以达到使用的要求变得尤其重要。 通常我们采用做不同的样品，进行物理测试的方法来获得，但这种方法的缺点是验证 周期长，且测试条件的统一性很难保证，从而试验结果的可参考性不大。工程分析是 近年来对结构优化的另一发展趋势，通过有限元法，在计算机中对设计对象进行模拟 仿真，改变参数和结构形状获得不同的计算结果进行比较，最终得到最优化的结构。 本文以非线性有限元软件a b a q u s 为分析工具，对档位片出现的断裂问题进行仿 真分析，通过计算机模拟，首先找出其在使用过程中发生断裂的根本原因，然后针对 档位片当前的结构缺陷，提出各种优化方案，再利用有限元分析对各优化方案进行仿 真，对比结果，从而发现最合理的结构，以达到优化设计的目的。 我们初步认为：档位片发生断裂的原因是由于其整体刚度过强，在发生形变时， 应力过于集中在顶端而引起的疲劳断裂。为了验证我们的推断，我们通过有限元软件 对其模拟仿真，查看档位片在工作中的应力分布和变形状态。分析显示，档位片在压 缩、回弹的过程中，其顶部的应力过于集中，明显高于两翼的应力分布，变形量也高 于两翼。这一结果充分验证了我们在研究前期对档位片发生断裂原因的判断，并为我 们对档位片进行设计优化分析提供理论依据。 在验证了问题发生原因的基础上，我们对档位片的结构优化提出了一系列的改进 方案，但到底那种方案是行之有效的，我们仍然不清楚。所以我们需要进一步的优化 设计，同样采取有限元分析的方法，对比各种有可能提高档位片弹性的设计方案，反 复分析优化，更改设计参数，最终我们得到了一组理论参考数据。在保证其他条件不 摘要档位片有限元分析及优化设计 发生变化的情况下，该方案的档位片结构具有最优化的弹性分布和最低的断裂风险指 数。 按照优化的结果，重新设计档位片，安排做样品。对新档位片装机后进行使用测 试，我们发现，新档位片的使用寿命远远超过了老的结构，并达到设计的要求。 如果采用传统的优化设计方法，先更改、再做样机验证，再更改、再验证，在时 间上前后最少需要一个半月到两个月的时间；在成本上我们需要花费大量的试验人力 成本以及试验样品成本。但是通过有限元分析和计算机优化设计的方法，以档位片为 例，从档位片发生问题到最后我们解决了问题，包括后期的物理验证，我们一共用了 两个星期，仅使用了一次物理试验就达到了要求。大大缩短了产品的开发周期，降低 了研发成本。 关键词：有限元分析档位片优化设计仿真非线性 作者：王逸仙 指导老师：苏桂生 f e m a n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n d e s i g nf o rs h i f t i n gs p r i n g a b s t r a c t t h es h i f ts h e e ti sas p r i n gp a r ti nt h et o r q u ec o v e ro ft h ep o w e rt o o l ss u c ha sd r i l l s ，i t l o o kl i k eab o wa n dt h et o pp o i n to ft h eb o wi se n g a g e sw i t ht h et o o t hi nt h ei n s i d et r a c ko f t h ec o v e r ，t h ef u n c t i o ni sa d j u s tt h et o r q u ea n dl o c a t i o n t h es t r u c t u r eo ft h es h i f ts h e e td e f i n ei t se l a s t i c i t y , t h ee l a s t i c i t yi n f l u e n c et h es e r v i c e l i f ea n dt h ef u n c t i o n t h es h i f tw i l le a s yb r e a ki fi ti so v e rt o u g ha n dc a n tu s ea sal o c a l i z e r i fi ti sm o r es o f t h o wt of i n do u ta no p t i m i z e ds t r u c t u r et oe n s u r ean e c e s s a r yf u n c t i o na t t h et i m eo fn e wp r o d u c td e v e l o p m e n ti sv e r yi m p o r t a n t ，n o r m a l l yw ew i l lm a k eas e r i e so f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dm a k eap h y s i c a lt e s tt os o l v et h ep r o b l e m ，b u tt h e d e f e c ti st h et e s tw i l ll a s tal o n gt i m ea n dw ec a n tg e tas a m et e s te n v i r o n m e n tt om a k e s u r et h et e s td a t ai sa v a i l a b l e e n g i n e e r i n ga n a l y s i si sa n o t h e rw a yt os o l v et h e s ep r o b l e m s i nt h er e c e n ty e a r s ，w ec a ns i m u l a t et h ed e s i g np a r ti nt h ec o m p u t e rb yt h ef e mm e t h o d a n dc h a n g es o m ep a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r et og e td i f f e r e n tr e s u l t ，a n dt h e nw er e a c ha n o p t i m i z e dd e s i g na f t e rc o m p a r i n g t h e m t h i sa r t i c l eb a s eo na b a q u sw h i c hi sf a m o u sn o n l i n e a rf e as o f t w a r ei nt h i sf i e l dt o e x p a t i a t e t h ea p p l i c a t i o no fs t r u c t u r eo p t i m i z ew i t ha b a q u si nt h en e wp r o d u c t d e v e l o p m e n t w es u p p o s et h a tt h er o o tc a u s ef o rt h eb r e a k i n go ft h es p r i n gs h e e ti sj u s tb e c a u s et h e s p r i n gs h e e th a sar i g i ds t r u c t u r ea n dw h e n i tb e n d i n g ，a l lt h ef o r c ea r ea p p l yo nt h et o p p o i n t ，a f t e rs e v e r a lt i m e sc y c l e s ，t h es h e e tc a n ts t a n dt h eh i g hs t r e s sa n db r e a k f o rf a t i g u e r e a s o n a f t e ra n a l y s i st h es h e e tb yf e ma n dw eg o tt h er e s u l ts h o w st h es t r e s so nt h et o p p o i n ti sp r e t t yh i g h e r t h a nt w ow i n g s ，t h a ti n d i c a t e do u ra s s u m p t i o ni sr i g h t s i n c ew ef o u n dt h er o o tc a u s eo fb r e a k i n gt h r o u g ht h ef e ma n a l y s i s ，w ec a na l s o c h a n g et h em o d e lo fs p r i n gs h e e t ，a n dt h e ns i m u l a t ei tb yc o m p u t e rt i l lw eg o tt h eb e s t n - t -i，-r w em a d es o m es a m p l e su n d e rt h eo p t i m i z e dr e s u l ta n di n s t a l li ti nt h ep r o d u c tt od o t h el i f et e s t i n g ；w ef o u n dt h a tt h en e wd e s i g ns h e e th a sm e tt h er e q u i r e m e n to f d u r a b i l i t y a n do v e rt h ed e s i g nu s en u m b e r s c o m p a r et h ef e m t ot h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ；i t sn o th a r df o ru st od r a wa c o n c l u s i o nt h a tt h ef e mi sh e l p f u lt of i n dt h es o l u t i o nw a ya n ds h o r tt h ep r o d u c td e s i g n c y c l e k e yw o r d ：f e m ，s h i f ts h e e t ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s i m u l a t i o n ，n o n l i n e a r 目录 引言1 1 有限元法简介2 2 a b a q u s 在新产品开发中的应用及分析流程3 1 2 1a b a q u s 在新产品开发中的应用3 1 2 2a b a q u s 的分析流程4 3 实例机构模型嗽件：5 1 3 1 问题描述5 1 3 2 初步失效原因分析和改进方向5 1 3 3 分析方法和目的6 1 3 4 模型及参数设置6 4 分析过程与结果8 1 4 1 目的8 1 4 2 分析方法8 1 4 3 分析结果8 1 4 4 结构调整1 0 1 4 5 分析结果对比1 0 5 优化设计1 8 1 5 1 优化目的1 8 1 5 2 位置优化1 8 1 5 3 豁口形状优化2 2 6 分析和试验结果2 9 1 6 1 分析结果及设计更改建议2 9 1 6 2 优化设计后的样机试验结果2 9 结论3l 参考文献3 2 致谢3 3 档位片有限元分析及优化设计 引言 己i 言 - jj仁j 档位片的设计既要考虑到它的强度同时也要考虑到它的寿命，在频繁换档的过程 中，档位片受到周期性交变载荷的作用，变形、恢复和定位。从结构上来说，档位片 属于小型的板簧，它的弹性跟结构、材料、加工工艺和热处理方法都有直接的关联， 其中结构是其弹性好坏的最重要因素。在此，我们假设其加工工艺、材料和热处理都 一样，仅考虑结构的影响，本文研究的是不同的结构形状对其弹性的影响，通过计算 机分析模拟，找出最优化的结构。 所以，正确分析和计算档位片在工作时应力的分布及影响因素至关重要。传统的 方法是做不同结构档位片的耐久试验，然后根据试验结构来判断结构的优劣性。然而， 一耐久试验耗时长，同时其载荷条件的不一致性严重影响了试验结果的真实性。要进行 这类试验不仅拉长了研发周期，而且增加了研发成本。在新产品的开发过程中，如何 根据室内试验得到的有关资料，利用仿真分析的方法来确定类似于档位片等结构受力 件的应力作用情况，进而确定它们的最优化结构，是值得广泛关注的问题。 1 有限元法简介档位片有限元分析及优化设计 1 有限元法简介 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相 互联结在一起的单位的组合体。由于单元能按照不同的联结方式进行组合，且单元本 身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法利用在 每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的 近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。 所以，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在各个结点上数值就成为了新 的未知量，从而使一个连续的有限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解 出这些未知量，就可以通知插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整 个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单 元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，如果单元是满足 收敛要求的，近似解最后收敛于精确解。 2 档位片有限元分析及优化设计 2 a b a q u s 在新产品开发中的应用及分析流程 2 a b a q u s 在新产品开发中的应用及分析流程 1 2 1a b a q u s 在新产品开发中的应用 a b a q u s 作为国际上最先进的通用大型有限元分析软件，具有令人惊奇的模拟能 力。它在分析复杂的固体力学和结构力学系统时所表现出的驾驭大型问题和非线性问 题的能力，突显其无可比拟的性能。作为优秀的工程分析软件，在新产品开发中应得 到充分的使用。作为研发部门，新产品的开发大致分成这样几个阶段：( 1 ) 概念开发 阶段，( 2 ) 设计阶段，( 3 ) 设计验证阶段，( 4 ) 生产验证阶段，( 5 ) 投产阶段。 一般来说，在( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 阶段能够较集中地应用工程分析，主要体现在以下几方面： ( a ) 在( 1 ) 阶段，通过a b a q u s 等有限元软件对概念模型做初步的工程分析，支 持概念开发。 ( b ) 在( 2 ) 阶段，可依据相关法规或有关的产品工程标准做出设计验证计划( d v p ) 和设计失效模式分析( d f m e a ) ，在这两个文件中，可以形成工程分析的任务需求， 为下一步的工程分析工作做前期输入的准备，如：法规或标准中的试验方法，相关 材料数据的准备，分析方案的制定，进度计划的形成以及人力资源的配备等。 ( c ) 在( 3 ) 阶段，应用a b a q u s 完成相关的工程分析，给出定量数据或定性的结论。 定量的数据如：应力、应变、位移、固有频率及模态等。这些数据和结论能够给设计 工程师一个很好的设计依据，以便在后继的工作中完善设计。 在实际的开发过程中，工程分析工作不一定这样“串行”在开发过程中，可能将工 程分析工作与设计工作“并行”，如二者都在同步开发小组( s d t ) 之中，工程分析工程 师与设计工程师进行交互式地工作。 另外，通过工程分析与实验设计( d o e ) 进行有机结合，我们可以很好地进行优化 设计，例如，在夹紧力一定的条件下，将u 性弹簧夹片的底部弯角b 与材料厚度t 设为 设计变量，利用a b a q u s 进行分析优化，找出使用料最少的参数p 与t ；i 程分析与设 计失效模式分析( d f m e a ) 进行有效结合，可以帮助确定潜在的失效起因或机理，从 而在设计中进行有效的控制。 可见，如能将工程分析很好地溶入开发过程的重要阶段，对于保证产品的开发质 气 2 a b a q u s 在新产品开发中的应用及分析流程 档位片有限元分析及优化设计 量和缩短开发周期以及降低开发成本是至关重要的。 1 2 2a b a q u s 的分析流程 a b a q u s 解决问题的范围非常广泛，它可以从简单的线性分析到复杂的非线性分 析，非线性问题涵盖了材料非线性、几何非线性以及边界非线性。利用有限元求解任 何工程力学问题，需要有清晰的分析流程，才能较好地模拟实际的情况。其实， a b a q u s c a e 已经给出了很好的分析流程，本文的流程是以a b a q u s c a e 为内核的 工程分析管理方面的流程，它能帮助工程分析工程师高效地工作。以下( 图1 ) 为一基 本的流程图。 a b a q u s 分析流程图 图1 计算机模拟仿真设计流程图 4 档位片有限元分析及优化设计 3 实例机构- n 型_ 软件 1 3 1 问题描述 3 实例机构摸型揿件 。一磊 1 档位调节罩2 档位片3 邝艮位盘 图2 换档片工作实物图图3 档位片示意图 如图2 所示，档位片在换档的过程中，反复的压弯、回弹。其设计寿命为重复使 用1 0 0 0 0 次，但在该产品的开发验证试验中，我们发现档位片仅在4 5 0 0 次左右发生断 裂，不及设计寿命的一半。断裂失效情况如图4 所示，档位片在弓形的顶点发生断裂。 图4 档位片断裂形状图 1 3 2 初步失效原因分析和改进方向 档位片的材料为铍青铜，设计厚度为o 5 m m ，经过合理的热处理后，可以达到一 个良好的弹性，但从失效的结果和档位片断面的纹理，我们不难发现，这是一个疲劳 5 3 实例机构模型软件档位片有限元分析及优化设计 失效，失效点发生在该弹性件的变形量最大处。初步分析认为，失效原因是由于档位 片的整体结构刚性过强，在发生形变的过程中，主要变形发生在顶部，而两翼的变形 量很小，应力过于集中在顶点，在大变形、大应力的作用下，顶点首先发生疲劳断裂。 基于初步的失效原因判断，对档位片的结构改进方向为：更改现有的结构设计， 削弱两翼的刚度，提高其弹性，使得档位片的整体弹性增加，在发生变形时，应力将均匀 分布，顶点和两翼同时发生形变，从而改善档位片的使用寿命。 1 3 3 分析方法和目的 运用a b a q u s 非线性有限元分析软件，通过计算机创建档位片的有限元模型，由于 不考虑档位调节罩和限位盘的变形对分析的影响，本次分析以刚体模型的形式来模拟 档位片的边界条件定义各种约束和接触关系，计算仿真出档位片在换档过程中的应力 分布。 我们的主要分析目的如下： 1 ) 先对档位片进行运动过程仿真，找出它的失效主要原因。 2 ) 针对分析结果，改进档位片结构，重新分析。 3 ) 对比不同方案的分析结果，提出改进意见。 1 3 4 模型及参数设置 档位片、档位调节罩和限位盘的有限元模型( 如图5 ) ，在本次分析中，由于我们 仅关心档位片的应力、应变状况，同时为了节省计算时间，所以仅对档位片进行有限 元离散，档位调节罩和限位盘为刚体模型。 运用a b a q u s 软件的接触算法，分别取扭力罩、限位盘和档位片的数字模型，按 照实际状态对档位片进行换档过程分析，查看其状态 表1 档位片材料属性： 名称弹性模量 泊松比 屈服极限强度极限 q b e 2 1 1 5 g p ao 36 2 0 m p a8 2 5 m p a 6 档位片有限元分析及优化设计 3 实例机构模型软件 图5 档位片模型图 1 档位调节罩刚体模型2 邛艮位盘刚体模型3 档位片有限元模型 7 1 4 1 目的 通过对原有结构档位片在换档过程中的弹性变化仿真模拟，找出可能引档位片失 效的原因。 1 4 2 分析方法 1 建立有限员模型( 本次分析仅对档位片进行离散，档位调节罩和限位片做刚 性处理，不考虑它们的变形) 。 2 通过添加档位调节罩模型和档位片之间的位移关系，模拟档位片安装时的变 形。 3 增加档位调节罩的强迫转动量，模拟换档过程中，档位片变形随时间变化的 过程。 1 4 3 分析结果 与分析的模型及其初始状态图。 图6 有限元模型图 位片进入工作状态的初始应力分布图。 8 档位片有限元分析及优化设计4分析过程与结果 譬l 霉盘熏 f v g # 重 1 5 、， 呷2 ，沓卜0 2 矗拿 量- 0 2 2 7 0 e 峥0 2 0 4 ，e 0 2 2 土6 e + 0 2 5 盘譬e + 0 2 ，s 2 e + 0 2 土善5 盘+ 0 2 0 8 1 * o 玉 8 土2 特o 工 舛j 毒0 工 2 4 e + 0 1 5 工5 t 0 2 馘l + 2 7 2 3 0 + 0 2 ，曩釉譬燃a 1 。7 0 0 9 警o d t t9 2 工 托i t i + 4 s 工5 0 - 0 2 i a 棚和譬誊鬟x 麓学1 ，s 2 簟o d 囊lg o 工 以， 雕漱 雕麓 l j 猁 = = 嚣。二； 图7 工作过程模拟图 h 一雌 - u 一- 档位片在工作过程中发生最大形变时的应力分布图。其最大应力为1 2 1 m p a ，分 布在档位片的中间部分顶点上。 霉， 旺t 馘 i 置v 事l 重 5 ， 2 1 2 , - - , + 0 】| 1 1 e - + 0 ， o 工o e 0 ， 0 9 4 e + 0 2 0 客3 e + 0 2 o z3 e = 0 2 0 53 酗0 2 o s 2 e + 0 2 0 4 2 卺+ 0 2 03 2 酎0 2 0 2 2 t + 0 2 o 工工t 一0 2 工2 5 c 0 2 鞠墩i e2 驻错孵铷 薯童曩噍2 # 鬻王嬲1 9 ， 燃彘l 工土2 移 勘瞎缸：十岔1 2 5 e 0 2 e 1 f ! x l q l = 霉p 霰：瓣岱，土：! 拓酗e ：3 蓐 图8 工作过程中的应力分布图 通过分析过程文件的结果数据，我们可以看到：档位片的应力主要集中在其弓形区 域内，在整个换档过程中，真正起变形作用的也在其弓形区域内，而档位片的两翼变形 比较小，没有起到分担载荷的作用也就是说：档位片的整体弹性不足，结构过于刚硬。 在反复压弯- 恢复的周期性载荷作用下，档位片会在其变形较大、载荷较大的区域 9 4 分析过程与结果档位片有限元分析及优化设计 中间部分断裂。 既然档位片的失效可能是由于载荷过于集中导致的，那么我们可以从下面几点入 手找到他的解决方案：分散载荷，降低档位片的整体刚度，提高它的弹性。 1 4 4 结构调整 经讨论，我们找到了降低档位片整体刚度，提高其弹性的方案如下： 在档位片的两翼上分别去除一部分材料，削弱两翼的强度，提高整体的弹性，使 得两翼在换档的过程中产生必要的变形，而分担其中间部分的载荷。 结构更改方案如下图所示。 图9 档位片原始设计结构图1 0 档位片更改后的结构 1 4 5 分析结果对比 在相同的有限元分析界面下，我们对更改前后的档位片进行有限单元离散，添加相 同的边界条件和载荷，分析计算，察看输出结果，比较它们的应力分布状况，顶点的变形 量等数据。来判断结构的更改是否有利于提高它的整体弹性。 首先我们比较档位片变形过程中的应力分布图，应力的分布状况是反映结构件的 受力状态和刚度的重要数据，通过比较它们的最大应力值以及应力分布图，我们可以 直观的判断其弹性是否得以改善。 更改档位片的结构( 如图9 和图1 0 ) ，重新分析，得到的分析结果如下： 原结构的档位片在换档的过程中，应力过于集中在中间点，档位片变形最大时的最 大应力值为1 2 1 2 m p a 。 1 0 档位片有限元分析及优化设计4 分析过程与结果 l 群鞋 卜+ 囊 蹲：； b 毒+ 蓐 潞5 群嚣 斟墨 l 曩q 獭；棼鬻噍麓嚣错* 童，参季舞鲞m 、 翟。i 1 2 5 也- 0 2 。么 魁侧芯溉z 嬲- 置。；皆囊猢 l # 嬲嚷 ；6 翳黝 图1 1 原结构应力分布图 更改结构后的档位片，应力分布状况有所改善，两翼分摊了一部分压力，但最大应 力值仍然集中在中间顶点上( 这是档位片的机构形状决定的，顶点受压时，变形量永远 大于两翼，所以最大应力在中间点合乎实际) ，与原结构相比较，其最大应力值为 11 4 5 m p a ，小于原结构。 霉，囊蕾i s e a 鼬崞l s ” 勰5 e + 0 3 0 5 0 穗- p 0 薹 s 磊4 囊0 2 5 9 0 馈- - , - 0 2 63 6 e + 0 2 6 2 土错0 2 2 t e + 0 2 3 e + 0 2 客工9 绀0 2 9 6 5 卷4 0 2 9 工工惫0 2 s 6 2 艚o 羔 6 5 6 e - 0 盖 图1 2 更改后结构应力分布图 从结果来判断，更改后档位片的弹性性能有明显的改善，项部的最大应力值由原 。群什计种竹黔融黔时竹特静黔 k 2工o连；33202215嘲娃n啦的姑诣”似”的般 l王霉鑫髻6s磊2盖垒2+夺 4分析过程与结果 档位片有限元分析及优化设计 来的1 2 1 m p a 减少为1 1 4 m p a ，且应力分布不再集中在顶点，逐步向两翼扩张。由此可 见，增加切口的方法是有效的。 我们再来比较一下项部弓形的受力状态。为了更方便的了解结构改进是否起到预 期的作用，我们分别取档位片的顶点和两翼中间点这两个结点的分析结果数据来进行 比较。 顶点 点 e = “i 二= 一 图1 3 档位片有限元模型的顶点和两翼中间点示意图 1 ) 两种结构顶点的变形曲线比较。 两种结构的顶点随时间发生变形量的曲线应该是一致的，这是因为在换档过程 中，档位片的顶点一直和档位调节罩的内齿圈相啮合，它的变形量也是由档位调节罩 的内齿圈的齿高决定的。分析结果也验证了这一点，它们的变形量都等于1 6 m m 。 ) 图1 4 变形埘间曲线图( 原结构) 1 2 档位片有限元分析及优化设计 4 分析过程与结果 图1 5 变形埘间曲线图( 新结构) 2 ) 两种结构两翼中间点的变形曲线比较。 从分析结果来看，原结构的两翼中间点在档位片的压缩过程中，整体向下移动了 o 8 m m ，而结构更改后两翼中间点在压缩过程中，整体仅向下移动0 6 m m 。由此可见： 结构更改后两翼的弹性有了明显变化。 图1 6 变形耐间曲线图( 原结构) 一一j 4 分析过程与结果 档位片有限元分析及优化设计 图1 7 变形耐间曲线图( 新结构) 3 ) 两种结构顶点的应力耐间变化曲线比较。 顶部结点的应力埘间曲线与前面的整体应力云纹图基本保持一致，分析数据显 示，原结构的顶部结点，其最大应力值在1 2 0 m p a 左右，而更改后结构的项部结点的 最大应力值，其数量级在i o o m p a 左右。 档位片有限元分析及优化设计 4 分析过程与结果 图1 9 改进后结构顶点的应力耐间变化曲线 4 ) 两种结构两翼中间点的应力埘间变化曲线比较。 两翼中间结点应力埘间变化曲线对比数据为：原结构的应最大应力值为4 0 m p a ， 更改后结构的最大应力值为5 0 m p a 。这说明，更改后，两翼承担的更多的压力，档位 片顶部的应力集中得以缓解。 图2 0 原结构中间点应力埘间曲线图 1 5 4 分析过程与结果 档位片有限元分析及优化设计 图2 1 改进后中间点应力埘间变化曲线 5 ) 两种结构变形后的应力分布比较。 如下图所示：就弹性范围来说，更改后的结构明显大于原结构。 图2 2 原结构变形后的应力分布图 1 6 档位片有限元分析及优化设计4 分析过程与结果 中。 图2 3 改进后结构后的应力分布图 综合上述的所有的分析数据，我们得到分析结果的汇总对比表如下： 表2 结构调整结果对比分析表 悬臂变两翼上的顶点应有效弹 整体刚性弹性 形量应力值力值性区域 原结构小小大短强差 改进结构大大小 长 弱好 所以我们认为：该改进方案有利于提高档位片的弹性，减少其中间部分的应力集 1 7 5 优化设计档位片有限元分析及优化设计 1 5 1 优化目的 5优化设计 在档位片两翼加一定形状的豁口可以达到增加档位片弹性的目的，但是到底豁口 开在什么位置，豁口开的深度是多少才能达到一个最佳的效果? 我们仍然不知道，所 以在这一步分析当中，我们将就豁口的位置和深度进行优化分析，找出一个最佳方案。 1 5 2 位置优化 首先我们可以假设豁口的形状是一定的( 如图1 0 所示) ，那么可以肯定的是，豁 口开的位置距离中间点的远近对档位片弹性的改善程度是不一样的，下面我们就不同 的位置进行仿真比较。 1 5 2 1 位置优化 如下图所示，选择三种不同的方案，切口形状一定，但切口位置分别离中心线为 中、远、近的三点。 方案1 ( 左)方案2 ( 中)方案3 ( 右) 图2 4 方案1 结构图图2 5 方案2 结构图图2 6 方案3 结构图 1 5 2 2 位置优化分析结果 首先我输出不同切口位置档位片的应力分布结果图进行比较，如下图所示：( 按 从左至右的顺序分别是方案1 、2 、3 ) 分析的结果，在此不必一一描述，为了说明优化的效果，仅挑选有代表意义的数 据来阐述。 档位片有限元分析及优化设计 鬈，搬i ；h 蛳：譬蹦 专1 3 1 0 移 土2 0 1 醅 + 王0 9 2 e + 2 。9 2 6 e l + 2 譬；s 爵 专 钳3 砖 争蓐s 5 2 酚 s 4 6 0 融 锵。；6 9 酚 ；2 醇 2 。掳5 磅 + 1 0 9 4 秘 2 s 鑫警毫 霉。蚴铭 l 啪| 濑 链# 挝o 秭 0 s 秭 ；2 5 e + 2 9 9 e + 2 5 ；错 2 土辨 1 9 1 e + 骐5 卺 1 0 9 e + o 譬3 融 o ；譬秘 4 1 0 毽 图2 7 方案1 应力分布图 图2 8 方案2 应力分布图 1 9 5 优化设计 醮蠹 雕 孝锈糯 _ l量 辎 r l2222吩王 ；，露ll，-羹t一1-l矗，2e，童95jll_+每牵 5 优化设计 档位片有限元分析及优化设计 鬈，燃蒜蠊 魄蹲l i s 叼 图2 9 方案3 应力分布图 表3 不同切口位置的最大应力值汇总表 方案方案1方案2方案3 最大应力值( m p a ) 1 3 11 2 41 2 2 结果显示：从应力分布图的情况来看，方案3 的应力分布比较均匀，同样的工况 下，档位片的最大应力值最小。方案2 次之，方案i 最差。 其次，我们考虑到档位片顶部凸缘弦长( 如图3 0 所示) 的变形大小是衡量其弓形 部分是否应力集中的重要因素，所以特输出不同方案的弦长变化曲线来进行说明。 图3 0 顶点弦长示意图 2 0 ；22氇磊2磊，一l谚秘醣黔醇砖黔黔螃醇融黔黔3，066，o擘客矗彳vv，h唾堂舻缝技坛妒璐n眙”鳟馘鲶嚣土i王t-6量9量4；咆豢t纛，_l+专专 档位片有限元分析及优化设计 5 优化设计 弦长变化分析结果曲线对比。 r 3 o 3 5 o 3 0 o 2 5 0 2 0 r 3 o 1 5 o o o o 图3 1 方案1 弦长变化曲线图 o 0 5 0 伪1 5 0 t l m e 图3 2 方案2 弦长变化曲线图 2 1 5 优化设计档位片有限元分析及优化设计 图3 3 方案3 弦长变化曲线图 表4 不同方案弦长最大变形量的结果汇总表 方案方案1方案2方案3 弦长最大变形量 0 3 6 8 m m0 3 4 5 m m0 3 l m m 数据显示，方案3 在同等条件下，具有较均匀的应力分布，较小的应力和较小的 顶部变形量。由此可见，该位置的切口对改善档位片的整体弹性具有比较明显的效果。 1 5 2 3 位置优化结论 单从豁口开的位置来说，我们根据得到的分析结果认为：将豁口放在靠近档位片 中间点的位置是比较理想的。 1 5 3 豁口形状优化 1 5 3 1 优化目的 在确定了豁1 3 位置的情况下，我们需要进一步优化豁1 3 的形状，找出最佳的切1 3 档位片有限元分析及优化设计 5 优化设计 深度。 1 5 3 2 豁口形状优化方案 如下图所示，我们准备对三种不同的深度方案。 方案4 方案5方案6 扣葑扣子幸i 图3 4 方案4 结构图 图3 5 方案5 结构图图3 6 方案6 结构图 1 5 3 3 形状优化结果 在得到分析结果后，我们仍然先来查看它们的应力分布图。 囊，撤霉钨 ( a v q l 蹦 2 23 e + 0 3 1 2 1 e + 0 ； 0 2 0 e + o ， 6 融0 2 1 5 6 e + 0 2 工；| 醅0 2 n 2 e 1 0 2 0 9 9 醉0 2 o t 9 礴0 2 0 6 0 e 0 2 泌o 书0 2 0 2 1 e + 0 2 3 5 6 e 0 1 图3 7 方案4 应力分布图 l土土d，6，9t7工峰3王，一i + 5 优化设计档位片有限元分析及优化设计 露。啦薹档 姆崞l 瑚 誊，鞠 呐l 彳渤 + i 。3 1 9 e + 0 ) + l 。2 0 9 e + 0 3 + 土。0 9 9 瓣0 ) + 垒。客9 工时0 2 + 客。妻2 酚0 2 + i 。5 拿3 翻0 2 + 鑫。s 9 4 醉0 2 + s 。4 9 6 倒, 0 2 描。；妻f 礴0 2 + ；。2 9 2 意孛0 2 + 2 。曲拿群0 2 1 1 0 0 圣参0 2 工，赫荐謦拳羔 图3 8 方案5 应力分布图 t_ - 口雕日- j - o - 柚删- n 皿v 哪抽- 二f h o yn 二, 0 4 t um e 4 , 0 1 2 厂、般：嚣一。，。_ t 。 ?锪一面a r l 。“器“m 一i 0 0 0 图3 9 方案6 应力分布图 llz矗吨奎矗叠蕊霾移ooooooooo耋擞豁嚣然黜叠 譬2穹|-025 2土6誊然珏似救弦始豁强挝的馘 l-1t一o。6蕾_f9爱一鼻嗨；王t_囊+争 档位片有限元分析及优化设计5 优化设计 表5 不同切口深度的分析结果表 方案方案4方案5方案6 最大应力值( m p a ) 1 2 21 2 51 3 1 结果显示：方案4 的应力分布较其它方案均匀，且应力较小。 三种方案顶部弦长变形量的对比： 图4 0 方案4 弦长变化曲线图 图4 1 方案5 弦长变化曲线图 5 优化设计 档位片有限元分析及优化设计 o 3 6 o 3 2 0 2 8 o ：之 r 0 2 0 j o 1 6 o 1 2 o 0 0 4 o o 仉即1 1 r i i t l e 图4 2 方案6 弦长变化曲线图 三种方案档位片整体弹性的对比： - , 4 0 1 1 约1 朋 1 2 t i m e 图4 3 方案4 弹力变化曲线 z c1o竹子z i。艮31乱 芷正 档位片有限元分析及优化设计 5 优化设计 盼 3 0 柏 田 o 1 的2 t i m e 图4 4 方案5 弹力变化曲线 o o 1 1 j w m e 图4 5 方案6 弹力变化曲线 o 卜眦z u l 1 o 畔，o z i乱r11i乱 芷比 5 优化设计档位片有限元分析及优化设计 形状优化结果汇总如下。 表6 形状优化结果汇总表 方案弦长变形量( m m )最大弹力应力分布均匀性 方案4 o 3 l5 4 8 好 方案5o 3 5 5 7 6 中 方案6 o - 3 66 1 3差 由分析结果我们得到的结论为：不同的切口深度同样会影响档位片的整体弹性和 在工作状态下的最大应力值以及应力分布状况。 方案4 的形状是比较适合的方案，它既有良好的应力分布均匀性，且顶点的弦长 变形量小，最大应力值低，有利的降低了档位片顶点因应力集中而断裂的风险。 2 8 档位片有限元分析及优化设计6 分析和试验结果 6 分析和试验结果 1 6 1 分析结果及设计更改建议 1 档位片的失效是由于其整体弹性不足，结构过于刚硬所致。 2 通过在其两翼上添加豁口的方案可以解决其应力集中的问题。 3 对比不同设计方案的优化分析结果，我们建议更改的方案如下图所示： 优化后的形状：在档位片两翼的双侧添加一个半径为r 4 的圆形切口。 切1 ：3 的位置为：半径中一t l , 点y 坐标离档位片中心线为5 5 m m ，x 坐标离两端弯曲弧 面的中心点距离为5 m m ( 如下图所示) 。 图4 6 优化设计结果图 1 6 2 优化设计后的样机试验结果 图4 7 优化设计结果图 按照分析优化的结果，重新设计档位片的结构，打样装机进行使用试验，我们得 到试验结果数据如下表7 ： 6 分析和试验结果 档位片有限元分析及优化设计 表7 使用试验寿命对比表 更改状态1 号样机2 号样机3 号样机4 号样机5 号样机 更改前 4 5 6 7 次4 5 8 1 次4 3 2 9 次4 6 7 2 次4 9 0 1 次 ( 使用寿命) 更改后 1 2 3 2 3 次1 3 3 7 8 次1 3 5 9 6 次1 4 2 6 4 次1 2 8 9 5 次 ( 使用寿命) 试验结果显示，更改前档位片的平均寿命为4 6 1 0 次，更改后平均寿命为1 3 2 9 1 次，寿 命明显加大并远远超过设计要求。