【《某越野车驱动桥壳厚度优化设计案例》2100字】

某越野车驱动桥壳厚度优化设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27089某越野车驱动桥壳厚度优化设计案例 1158771.1厚度优化设计 1243691.1.1设计变量 1230391.1.2约束条件 2265141.1.3优化原理 2148691.2优化过程 2126131.3优化后静力分析和模态分析 377411.3.1优化后静力分析 3173251.3.2优化后模态分析 788391.3.3优化后疲劳寿命分析 101.1厚度优化设计驱动桥壳内部装有很多重要的零部件,上接板簧,两侧连接车轮,一处微小的变动便可以影响整车状态，排除使用拓扑优化。制造工艺限制了驱动桥壳的外部形状,为了减重而改变其外形不切实际,排除使用形状优化。本文采用尺寸优化,设计变量为每个零部件厚度,约束条件为相对应材料的屈服极限,调节厚度,减小体积,从而减小质量,即：W=minf式中：X为厚度向量W为驱动桥壳总成体积最小值1.1.1设计变量 选取桥壳变形最严重的工况作为优化设计准则。设定3个设计变量：H1、H2和H3。其中H1为中央部分壳体壁厚；H2为桥壳左、右半轴套管的壁厚；H3为桥壳连接套筒壁厚。1.1.2约束条件 (1)取值范围2mm≤3mm≤4mm≤向量表示为:X=(2)屈服强度约束［σ］≤σs/n式中:σs［σ］为许用屈服强度n为安全系数根据设计经验,取1.5,桥壳的［σ］=286MPa。由于三种工况下桥壳的最大变形主要集中在桥包处,因此约束该处节点的最大变形量S≤2mm。1.1.3优化原理使用HyperMesh的OptiStruct求解器采取近似模型拟合方法［47］。目标函数：W=minf(X)约束条件L需要满足的条件是：∇收敛容差使用系统默认值,相邻迭代次数体积不大于最小差值0.5%时,迭代结束,此时目标函数作为最优解。1.2优化过程在HyperMesh中点击Analysis选择其左侧菜单中的optimizaition，使用size定义设计变量,创建并关联3个设计变量。在response中定义三个体积和约束响应,再将得到体积最小值定义为目标函数,然后再每个每个相应的模块中约束应力上限。通过OptiStruct六次迭代优化分析，便可得最优解,6次迭代优化分析后的厚度和质量优化结果如下表4-1所示。表4-1厚度和质量迭代表迭代次序H1/(mm)H2/(mm)H3/(mm)W/(kg)167811.225.226.127.767.6231.925.717.716.4941.815.167.635.2651.75.17.51.4361.75.17.51.43由表4-1可知第六次迭代得到最优解,此时桥壳总成的质量由11.2kg优化至1.43kg,减少了6.77kg,减重达到60%。1.3优化后静力分析和模态分析1.3.1优化后静力分析对之前的有限元模型赋予优化后的尺寸厚度,通过OptiStruct求解器，分析得到优化后模型在四种工况下应力图和位移图。图4-1最大垂向力工况应力分布图4-2最大垂向力工况位移图由图4-1可知,优化后该工况σmax=188.5MPa,应力集中主要出现在轮毂轴管的轮距线附近,工程中对驱动桥壳分析时通常取安全系数为1.5，对应材料σ=653MPa图4-3最大制动力工况应力分布图4-4最大制动力工况位移图由图4-3可知,优化后该工况σmax=110.6MPa,应力集中主要出现在上板簧坐处,工程中对驱动桥壳分析时通常取安全系数为1.5，对应材料σ=230MPa图4-5最大牵引力工况应力分布图4-6最大牵引力工况位移图由图4-5可知,优化后该工况σmax=184.2MPa,应力集中主要出现在上板簧坐处,工程中对驱动桥壳分析时通常取安全系数为1.5，对应材料σ=230MPa图4-7最大侧向力工况应力分布图4-8最大侧向力工况位移分布由图4-7可知,优化后该工况σmax=186.2MPa,应力集中主要出现在板簧坐接触的桥壳处,工程中对驱动桥壳分析时通常取安全系数为1.5，对应材料σ=320MPa优化前最大应力出现出现位置的最大应力值在优化后得以下降,模型安全性得到提高,并且最大变形量也满足国家标准，最大制动力和最大侧滑力工况在优化前有很大一部分裕量，优化后提高了其应力利用率。1.3.2优化后模态分析对优化后的驱动桥壳进行12阶模态分析,其第7阶到12阶分析的结果如下图4-9~4-14所示,固有频率数值见表4-2。图4-9第7阶模态分析图4-10第8阶模态分析图4-11第9阶模态分析图4-12第10阶模态分析图4-13第11阶模态分析图4-14第12阶模态分析表4-2桥壳的固有频率与振型阶数频率（Hz）振型描述7579.0Z向一阶弯曲8890.4Y向一阶弯曲9933.3Y向二阶弯曲10938.3Z向二阶弯曲11979.7Y向三阶弯曲121003.9Y向三阶复合弯曲由图4-9~4-14和表4-2可知,优化后的驱动桥壳频率较优化前均有提高,这是由于驱动桥壳整体的厚度下降,材料平均受到的激励增大,其6阶的固有频率远大于路面作用的频率50Hz,故优化后的驱动桥壳仍然满足其动力特性的要求,不会发生共振现象。1.3.3优化后疲劳寿命分析循环载荷与优化前一致,将优化后的模型导入到疲劳分析软件nCodeDesignLife中,并设置材料的S-N曲线、载荷谱。得到了优化后疲劳寿命图，优化后安全系数如图4-15、4-16所示。4-15优化后疲劳寿命图4-16优化后安全系数