在HyperWorks平臺(tái)下，根據(jù)有限元方法及拓?fù)鋬?yōu)化理論，對(duì)某變速器撥叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在一定體積內(nèi)取得最佳的材料分布，使得剛度最大。優(yōu)化后進(jìn)行CAD模型重建，加工樣件，通過(guò)疲勞壽命驗(yàn)證，驗(yàn)證其壽命足夠。

由于環(huán)境的不斷惡化、能源越來(lái)越緊張，目前生產(chǎn)的汽車尤為注重油耗。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及傳動(dòng)部件的不斷優(yōu)化，單純從動(dòng)力總成來(lái)節(jié)油已很困難，而與油耗很大關(guān)聯(lián)的是車重，汽車燃料約60%消耗于汽車的自重，每減輕10%，可降低油耗6%~8%[1]。而且汽車太重也影響加速性能，自重較大的汽車需要匹配較大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，所以輕量化設(shè)計(jì)在汽車行業(yè)已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。

本文基于有限元方法及拓?fù)鋬?yōu)化理論，在HyperWorks平臺(tái)下對(duì)某撥叉進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過(guò)MSC.Fatigue軟件及撥叉疲勞壽命臺(tái)架，驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的壽命是否足夠。

1 有限元分析

1.1撥叉工況

撥叉是變速器內(nèi)的換檔零件，用于推動(dòng)齒套，改變檔位，如圖1所示，換檔時(shí)力傳到撥塊上，撥塊帶動(dòng)撥叉軸移動(dòng)，撥叉軸帶動(dòng)撥叉，撥叉推動(dòng)齒套變換嚙合齒輪改變傳遞路徑，從而實(shí)現(xiàn)換檔。

根據(jù)實(shí)際情況，撥塊受力沿軸向移動(dòng)，撥叉口推動(dòng)齒套，轉(zhuǎn)換成有限元模型后約束及載荷如圖2所示，坐標(biāo)為笛卡爾坐標(biāo)，在叉口三個(gè)受力面上施加三個(gè)沿Z向的力，孔內(nèi)約束X、Y兩個(gè)方向，使撥叉只能沿軸向運(yùn)動(dòng)，撥塊受力處約束Z方向，使撥叉達(dá)到平衡。



撥叉要實(shí)現(xiàn)換檔要求，圖2紅色部分形狀不能改變，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)形狀一旦改變則不能實(shí)現(xiàn)換檔，所以在優(yōu)化計(jì)算時(shí)紅色部位不參與優(yōu)化。

1.2有限元模型的建立

1.2.1 建立設(shè)計(jì)邊界

根據(jù)布置情況利用CAD軟件建立設(shè)計(jì)邊界模型，如圖3所示。



1.2.2 優(yōu)化前處理

（1）網(wǎng)格劃分：將建立的拓?fù)鋬?yōu)化邊界導(dǎo)入HyperMesh劃分網(wǎng)格，單元類型采用一階四面體單元，最終網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。



（2）添加材料：創(chuàng)建出各向同性金屬材料，參考手冊(cè)或詢問(wèn)供應(yīng)商得知其彈性模量及泊松比，如圖5所示。



（3）設(shè)置屬性：劃分優(yōu)化區(qū)域及非設(shè)計(jì)區(qū)域，因?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化區(qū)域是由屬性來(lái)識(shí)別的，所以通過(guò)多個(gè)屬性可區(qū)分設(shè)計(jì)及非設(shè)計(jì)區(qū)域，本例中將撥塊、撥叉口三個(gè)凸臺(tái)設(shè)置為非設(shè)計(jì)區(qū)域，其他為設(shè)計(jì)區(qū)域，如圖6所示。



（4）建立邊界條件：撥叉工作時(shí)沿軸向移動(dòng)，所以約束撥叉孔X、Y兩個(gè)方向的自由度，當(dāng)撥叉沿Z正向移動(dòng)時(shí)，約束撥塊下接觸面，當(dāng)撥叉沿Z向負(fù)向移動(dòng)時(shí)，約束撥塊上接觸面，Loadtype選擇SPC,結(jié)果如圖7所示。



（5）施加載荷：根據(jù)已有變速器參數(shù)計(jì)算出換檔力，由于一個(gè)撥叉控制兩個(gè)檔位，所以把撥叉分成兩個(gè)工況進(jìn)行加載，工況1是力加在撥叉三個(gè)凸臺(tái)上表面，力沿Z軸負(fù)方向，工況2是力加在撥叉三個(gè)凸臺(tái)下表面，力沿Z軸正方向，兩個(gè)Load施加如圖8所示。



（6）建立工況：利用上兩步所創(chuàng)建出的邊界條件及載荷分別組合起來(lái)創(chuàng)建出撥叉沿Z軸正向移動(dòng)和Z軸負(fù)向移動(dòng)兩種工況，分別定義為up和down兩個(gè)Loadstep如圖9所示。



（7） 建立拓?fù)鋬?yōu)化變量：進(jìn)入Optimization模塊Topology菜單選擇設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)傩?，類型選擇PSOLID創(chuàng)建優(yōu)化變量，進(jìn)入Draw面板設(shè)置拔模方式為SPLIT選擇從叉口中心面往軸向兩側(cè)拔模。

（8）建立優(yōu)化響應(yīng)：進(jìn)入response面板建立類型為Volume響應(yīng)，確認(rèn)Regional/Total置于Total，創(chuàng)建VOL響應(yīng)。在response面板建立類型為StaticDisplacement響應(yīng)，Nodes分別選在撥叉的叉口四角處，分別定義為disp1~disp4，如圖10所示，因?yàn)樵?處在受力時(shí)變形最大，由這4處的剛度來(lái)優(yōu)化撥叉的形狀。

（9）建立優(yōu)化約束：進(jìn)入Dconstraints面板選擇上一步所建立的類型為disp1~disp4的響應(yīng)，設(shè)置其上限/下限值0.1，如圖11所示。



（10）建立優(yōu)化目標(biāo)：進(jìn)入Objective面板，選擇所創(chuàng)建的類型為Volume的響應(yīng)設(shè)置其目標(biāo)為Min。

（11）設(shè)置輔助卡片：根據(jù)需要，可以設(shè)置一些輔助卡片，比如SCREEN卡片，PARAM 卡片。

2 優(yōu)化求解

保存.fem 文件，設(shè)置合適的內(nèi)存空間后調(diào)用OptiStruct解算器進(jìn)行求解。經(jīng)過(guò)28步的迭代，結(jié)果收斂。打開(kāi)HyperView查看結(jié)果，將單元密度閥值設(shè)置為0.3，結(jié)果如圖12所示。



3 CAD模型的重建

參考輸出的結(jié)果，利用CAD軟件對(duì)撥叉進(jìn)行參數(shù)化重建，結(jié)果如圖13所示。



4 模型驗(yàn)證

重建的CAD模型必須要經(jīng)過(guò)CAE分析方可凍結(jié)，關(guān)于CAE分析步驟，此處從略。下面主要將模型結(jié)構(gòu)及CAE結(jié)果與原方案進(jìn)行對(duì)比。




從應(yīng)力和剛度來(lái)看，撥叉優(yōu)化前后都滿足設(shè)計(jì)要求，為了驗(yàn)證優(yōu)化后的撥叉是否能達(dá)到變速器的壽命要求，所以還需做疲勞試驗(yàn)。

5 疲勞壽命驗(yàn)證

撥叉的設(shè)計(jì)壽命一般要求與變速器的壽命一致或略大于變速器的壽命，轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)為循環(huán)換檔20萬(wàn)次。疲勞壽命驗(yàn)證分虛擬驗(yàn)證和臺(tái)架驗(yàn)證。

5.1虛擬驗(yàn)證

以MSC.Fatigue疲勞分析軟件為主，由于不知道撥叉材料的S-N曲線，現(xiàn)用撥叉材料的抗拉極限及彈性模量模擬一條S-N曲線，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估。按正常變速器換檔力350N計(jì)算，撥叉壽命為無(wú)限壽命，如圖16所示：



為了使撥叉更可靠，考慮操作者的力量不同，設(shè)它的安全系數(shù)為3，按正常換檔力的三倍（1050N）進(jìn)行計(jì)算，它的壽命為25萬(wàn)次循環(huán)，結(jié)果如圖17所示：


從圖17上可以看出，疲勞最薄弱點(diǎn)在加強(qiáng)筋位置，它的壽命也大于變速器的20萬(wàn)次循環(huán)要求。

5.2臺(tái)架驗(yàn)證

臺(tái)架結(jié)構(gòu)如下圖18所示。按正常換檔力350N進(jìn)行加載，進(jìn)行雙向換檔疲勞試驗(yàn)，模擬換檔循環(huán)22萬(wàn)次后，拆下?lián)懿孢M(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)撥叉無(wú)任何損傷，可以確定撥叉壽命滿足要求。



本文利用OptiStruct軟件在不影響撥叉強(qiáng)度、剛度和壽命的條件下，優(yōu)化撥叉鋁合金的材料分布，減少材料用量。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)三維重新建模，用MSC.Fatigue軟件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估，計(jì)算撥叉壽命是否足夠。CAE計(jì)算壽命足夠后再加工零件樣件，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，優(yōu)化后的撥叉通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)，證明壽命足夠，滿足使用要求。

虛擬驗(yàn)證零件壽命足夠后，再做實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，可以節(jié)省試制和試驗(yàn)成本。虛擬驗(yàn)證結(jié)果可以作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的參考，適當(dāng)時(shí)候也可代替實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨著燃油價(jià)格的普遍上漲，車輛輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越被各OEM廠家重視，通過(guò)對(duì)整車各零件的優(yōu)化，大大減輕整車質(zhì)量是可行的，同時(shí)安全性也不會(huì)打任何折扣。