汽车传动轴轻量化设计研究

杨丽娜，杨和利

汽车传动轴轻量化设计研究

杨丽娜，杨和利

（德州学院，汽车工程学院，山东德州253023）

研究了基于拓扑方法的某型汽车传动轴轻量化设计。首先利用UG进行汽车传动轴建模，将三维模型导入ANSYS中，根据传动轴的受力情况确定其边界条件，然后以传动轴质量最小为优化目标，利用拓扑优化设计算法对其进行计算，最后在同等受力工况下对比优化前后的结构强度，在满足静强度的条件下，优化后的传动轴壁厚变薄，实现了汽车传动轴轻量化设计。

汽车传动轴；ansys；拓扑优化；轻量化设计

相关资料表明，汽车质量减小10%便可节约6%～8%左右的燃油[1]。目前有许多方法来实现汽车轻量化设计这一目的，如采用铝、镁、玻璃纤维等轻质材料，采取优化设计算法，改善车辆零部件结构。本文以传动轴质量最小为优化目标，利用拓扑优化设计算法对其进行计算，在同等受力工况下对比优化前后的结构强度，在满足静强度的条件下，优化后的传动轴壁厚变薄，实现了汽车传动轴轻量化设计。

1 拓扑优化理论基础研究

在拓扑优化过程中首先应建立基础模型，然后通过最优化搜索方法保留结构中必要部分，去掉非必要部分，以确定结构的最优布局，以整体结构离散成n个单元，则每个单元为xi（i=1，2.3...，n），优化后若第j个单元为非必要单元则Xj为0，反之则为1[2].相对于传统优化简单方便，在传统优化设计过程中，优化变量的尺寸和参数是必不可少的，但是在拓扑优化中，只需要定义产品结构模型、材料特性、约束、载荷及要省去的材料的百分比即可。目前，连续体拓扑优化中使用较成熟的方法有三种，分别为渐进结构优化法、均匀法和变密度法。变密度法基本思想是将连续体离散为密度为[0－1]之间的可变材料，以单元密度作为设计变量以寻找材料最优分布。其中变密度法已广泛应用于商业软件中，ANSYS中默认的优化方法即为变密度法[3]。其数学表达式为：

其中：F（x）为目标函数；gj（x）为约束条件；m为不等式约束个数；hk（x）为等式约束；l表示等式约束个数[4，5]。

在进行拓扑优化前要确定其计算流程，首先确定拓扑优化的方法及优化软件，即本文采用的变密度法和ANSYS软件，其次构建出用于拓扑优化设计的数据空间，然后对以上数据空间进行网格划分，设置目标优化参数并对其进行优化计算，得到优化设计结果，对优化设计的结果进行合理性分析，若优化结果不合理，则修改优化参数重新对以上数据空间进行网格划分，若计算结果合理，则对拓扑优化的结果进一步分析。

本论文是从金属材料的力学性能出发，借助UG绘图软件来设计传动轴3D模型，导入有限元分析软件ANSYS中建立起汽车传动轴的有限元模型。通过拓扑算法实现传动轴的优化设计。

2 汽车传动轴三维模型建立

汽车传动轴是由轴管、万向节、十字轴和轴套等部件组成。首先根据所研究传动轴总成机构的设计要求进行数据采集；再根据传动轴每个部件的尺寸和结构要求建立起各个部件的3D模型；然后，根据所研究汽车传动轴总成不同部件的安装位置和相互之间的自由度约束进行装配，形成一个完整的汽车传动轴系统。一个完整的汽车传动轴包括万向节、十字轴、轴管。图1是汽车传动轴总成3D模型。

图1 汽车传动轴总成3D模型

3 仿真计算

在ANSYS中定义传动轴材料属性和力学特性，如表1所示。

表1 传动轴材料属性

本论文对传动轴实体模型进行了几何清理和简化，采用更易于收敛的三角形单元对传动轴进行网格划分，划分完共得到9 864个单元和8 986个节点，网格划分结果如图2所示。

图2 传动轴网格划分结果

设置优化参数，首先选用柔度最小作为优化目标，并设定去除材料体积约束比上限为20.8%，建立以柔度最小为优化标的目标传动轴拓扑优化模型，将以上模型数据以APDL的方式输入ANSYS中进行分析，由于篇幅限制这里不附代码。经过26次迭代得到传动轴拓扑优化结果，图3是根据优化结果设计得到的传动轴模型。

图3 优化后的传动轴模型

在同等受力工况下对优化前后的传动轴进行静强度分析，分析发现优化后的传动轴力学性能得到改善。

图4 同等受力情况下优化前后静强度分析对比

对比优化前后传动轴性能参数，传动轴总成质量减少了20.8%，各项性能参数得到优化，如表2所示。

表2 优化前后传动轴性能参数对比

4 结束语

利用UG对汽车传动轴进行建模，以传动轴质量最小为优化目标，利用拓扑优化设计算法对其进行优化计算，在满足静强度的条件下，传动轴质量减小了20.8%，实现了汽车传动轴轻量化设计，为汽车传动轴优化设计提供了有效方法。

[1]刘欢.汽车传动轴系应力应变测试方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[2]范翰斌.基于模态应力恢复的汽车传动轴疲劳寿命预测与研究[D].沈阳：东北大学，2014.

[3]孙永将，张铖.基于载货汽车传动轴的应用研究[J].轻型汽车技术，2014（Z1）：31-35.

[4]季钢.汽车传动轴临界转速的有限元法计算[J].机械工艺师，2000（11）：32-33.

[5]吕静敏.汽车传动轴有限元分析[J].科技致富向导，2012（08）：396.

Research on LightweightDesign of Automobile Drive Axle

YANG Li-na，YANG He-li
（College of Automobile Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023,China）

In this paper，the lightweight design of a certain type of automobile drive axle based on topological method is studied.The first use of UG automobile transmission shaft modeling，three-dimensional model into ABAQUS，the boundary conditions are determined according to the stress condition of the driving shaft，then to minimize the transmission shaft quality as the optimization goal，using topology optimization algorithm to calculate the final strength of the structure stress before and after optimization the same working conditions，in meet the static strength under the condition of optimized transmission shaft wall thickness becomes thin，the lightweight design of automotive transmission way.

automobile transmission shaft；ANSYS；topology optimization；lightweight design

U463.216

A

1672-545X（2017）02-0061-02

2016-11-28

杨丽娜（1994-），女，山东莱州人，本科，主要研究方向为汽车服务工程。