某越野車驅(qū)動(dòng)橋殼厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27089某越野車驅(qū)動(dòng)橋殼厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)案例 1158771.1厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 1243691.1.1設(shè)計(jì)變量 1230391.1.2約束條件 2265141.1.3優(yōu)化原理 2148691.2優(yōu)化過程 2126131.3優(yōu)化后靜力分析和模態(tài)分析 377411.3.1優(yōu)化后靜力分析 3173251.3.2優(yōu)化后模態(tài)分析 788391.3.3優(yōu)化后疲勞壽命分析 101.1厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼內(nèi)部裝有很多重要的零部件,上接板簧,兩側(cè)連接車輪,一處微小的變動(dòng)便可以影響整車狀態(tài)，排除使用拓?fù)鋬?yōu)化。制造工藝限制了驅(qū)動(dòng)橋殼的外部形狀,為了減重而改變其外形不切實(shí)際,排除使用形狀優(yōu)化。本文采用尺寸優(yōu)化,設(shè)計(jì)變量為每個(gè)零部件厚度,約束條件為相對應(yīng)材料的屈服極限,調(diào)節(jié)厚度,減小體積,從而減小質(zhì)量,即：W=minf式中：X為厚度向量W為驅(qū)動(dòng)橋殼總成體積最小值1.1.1設(shè)計(jì)變量 選取橋殼變形最嚴(yán)重的工況作為優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)定3個(gè)設(shè)計(jì)變量：H1、H2和H3。其中H1為中央部分殼體壁厚；H2為橋殼左、右半軸套管的壁厚；H3為橋殼連接套筒壁厚。1.1.2約束條件 (1)取值范圍2mm≤3mm≤4mm≤向量表示為:X=(2)屈服強(qiáng)度約束［σ］≤σs/n式中:σs［σ］為許用屈服強(qiáng)度n為安全系數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),取1.5,橋殼的［σ］=286MPa。由于三種工況下橋殼的最大變形主要集中在橋包處,因此約束該處節(jié)點(diǎn)的最大變形量S≤2mm。1.1.3優(yōu)化原理使用HyperMesh的OptiStruct求解器采取近似模型擬合方法［47］。目標(biāo)函數(shù)：W=minf(X)約束條件L需要滿足的條件是：?收斂容差使用系統(tǒng)默認(rèn)值,相鄰迭代次數(shù)體積不大于最小差值0.5%時(shí),迭代結(jié)束,此時(shí)目標(biāo)函數(shù)作為最優(yōu)解。1.2優(yōu)化過程在HyperMesh中點(diǎn)擊Analysis選擇其左側(cè)菜單中的optimizaition，使用size定義設(shè)計(jì)變量,創(chuàng)建并關(guān)聯(lián)3個(gè)設(shè)計(jì)變量。在response中定義三個(gè)體積和約束響應(yīng),再將得到體積最小值定義為目標(biāo)函數(shù),然后再每個(gè)每個(gè)相應(yīng)的模塊中約束應(yīng)力上限。通過OptiStruct六次迭代優(yōu)化分析，便可得最優(yōu)解,6次迭代優(yōu)化分析后的厚度和質(zhì)量優(yōu)化結(jié)果如下表4-1所示。表4-1厚度和質(zhì)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優(yōu)解,此時(shí)橋殼總成的質(zhì)量由11.2kg優(yōu)化至1.43kg,減少了6.77kg,減重達(dá)到60%。1.3優(yōu)化后靜力分析和模態(tài)分析1.3.1優(yōu)化后靜力分析對之前的有限元模型賦予優(yōu)化后的尺寸厚度,通過OptiStruct求解器，分析得到優(yōu)化后模型在四種工況下應(yīng)力圖和位移圖。圖4-1最大垂向力工況應(yīng)力分布圖4-2最大垂向力工況位移圖由圖4-1可知,優(yōu)化后該工況σmax=188.5MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在輪轂軸管的輪距線附近,工程中對驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對應(yīng)材料σ=653MPa圖4-3最大制動(dòng)力工況應(yīng)力分布圖4-4最大制動(dòng)力工況位移圖由圖4-3可知,優(yōu)化后該工況σmax=110.6MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在上板簧坐處,工程中對驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對應(yīng)材料σ=230MPa圖4-5最大牽引力工況應(yīng)力分布圖4-6最大牽引力工況位移圖由圖4-5可知,優(yōu)化后該工況σmax=184.2MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在上板簧坐處,工程中對驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對應(yīng)材料σ=230MPa圖4-7最大側(cè)向力工況應(yīng)力分布圖4-8最大側(cè)向力工況位移分布由圖4-7可知,優(yōu)化后該工況σmax=186.2MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在板簧坐接觸的橋殼處,工程中對驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對應(yīng)材料σ=320MPa優(yōu)化前最大應(yīng)力出現(xiàn)出現(xiàn)位置的最大應(yīng)力值在優(yōu)化后得以下降,模型安全性得到提高,并且最大變形量也滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，最大制動(dòng)力和最大側(cè)滑力工況在優(yōu)化前有很大一部分裕量，優(yōu)化后提高了其應(yīng)力利用率。1.3.2優(yōu)化后模態(tài)分析對優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行12階模態(tài)分析,其第7階到12階分析的結(jié)果如下圖4-9~4-14所示,固有頻率數(shù)值見表4-2。圖4-9第7階模態(tài)分析圖4-10第8階模態(tài)分析圖4-11第9階模態(tài)分析圖4-12第10階模態(tài)分析圖4-13第11階模態(tài)分析圖4-14第12階模態(tài)分析表4-2橋殼的固有頻率與振型階數(shù)頻率（Hz）振型描述7579.0Z向一階彎曲8890.4Y向一階彎曲9933.3Y向二階彎曲10938.3Z向二階彎曲11979.7Y向三階彎曲121003.9Y向三階復(fù)合彎曲由圖4-9~4-14和表4-2可知,優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋殼頻率較優(yōu)化前均有提高,這是由于驅(qū)動(dòng)橋殼整體的厚度下降,材料平均受到的激勵(lì)增大,其6階的固有頻率遠(yuǎn)大于路面作用的頻率50Hz,故優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋殼仍然滿足其動(dòng)力特性的要求,不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。1.3.3優(yōu)化后疲勞壽命分析循環(huán)載荷與優(yōu)化前一致,將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入到疲勞分析軟件nCodeDesignLife中,并設(shè)置材料的S-N曲線、載荷譜。得到了優(yōu)化后疲勞壽命圖，優(yōu)化后安全系數(shù)如圖4-15、4-16所示。4-15優(yōu)化后疲勞壽命圖4-16優(yōu)化后安全系數(shù)