寫在前面的話

駐車機(jī)構(gòu)是防止車輛滑行的一種安全裝置，它安裝于汽車變速器內(nèi)部，通過(guò)停車時(shí)鎖死變速器內(nèi)部齒輪，防止汽車出現(xiàn)滑行、溜坡等情況。借本次altair舉辦的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)大賽，開(kāi)始學(xué)習(xí)optistruct求解器相關(guān)功能，并以一款簡(jiǎn)單的駐車機(jī)構(gòu)模型為例，進(jìn)行topo優(yōu)化，了解到了Optistruct功能的強(qiáng)大，意識(shí)到拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)結(jié)構(gòu)先期設(shè)計(jì)的重要性，拓?fù)鋬?yōu)化為結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)初期提供了設(shè)計(jì)方向，使設(shè)計(jì)出來(lái)的零部件滿足強(qiáng)度、剛度等要求。

圖1. 汽車駐車工況駐車棘爪示意圖

駐車機(jī)構(gòu)工作原理說(shuō)明：

圖2. 駐車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

駐車機(jī)構(gòu)工作時(shí)，駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作銷下壓棘爪，克服回位彈簧預(yù)緊力，直至某一時(shí)刻棘爪完全鎖進(jìn)P擋鎖止齒輪且不再?gòu)棾?，則實(shí)現(xiàn)駐車，駐車一般分為平路駐車、上坡駐車與下坡駐車三種工況。

有限元模型建立

根據(jù)駐車機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)駐車機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)需要考慮上坡和下坡兩種工況。不同工況下，駐車棘爪和駐車鎖止齒輪的接觸面不同，棘爪的受力大小與方向也不同，但分析方法一致?？紤]到本人計(jì)算機(jī)硬件配置較低，所以本文僅以上坡駐車工況為例做計(jì)算說(shuō)明，下坡駐車工況分析方法一致。本次分析對(duì)真實(shí)的駐車機(jī)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，僅保留了駐車鎖止齒輪、駐車棘爪與支撐滾輪，如圖3所示。

圖3.駐車機(jī)構(gòu)FE模型

本次分析所用網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，優(yōu)化對(duì)象為駐車棘爪，因此對(duì)棘爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)區(qū)與非設(shè)計(jì)區(qū)的劃分（紫色區(qū)為設(shè)計(jì)區(qū)，黃色去為非設(shè)計(jì)區(qū)），優(yōu)化目標(biāo)為在滿足強(qiáng)度與變形量要求前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)區(qū)域體積最小，即質(zhì)量最輕。

材料&屬性

材料	彈性模量E [MPa]	泊松比u [-]	密度 [g/mm3]	屈服強(qiáng)度 [MPa]	抗拉強(qiáng)度 [MPa]
20CrMnTi	2.1E5	0.3	7.9E-9	835	1080

 

接觸對(duì)的創(chuàng)建

在駐車齒輪與駐車棘爪、棘爪與支撐滾輪之間建立接觸關(guān)系，接觸面離散方式為S2S，接觸面間默認(rèn)為小滑移。

圖4.接觸設(shè)置

載荷工況

1、在駐車齒輪中心建立RBE2并約束五個(gè)自由度（僅放開(kāi)旋轉(zhuǎn)方向自由度），棘爪約束方式與此類似，支撐滾輪兩端六個(gè)自由度全約束；

2、在駐車齒輪中心加3000Nm的極限駐車扭矩。

求解

在拓?fù)鋬?yōu)化之前，先進(jìn)行一次靜強(qiáng)度分析，了解零部件的大致情況，結(jié)果如下：

零部件	最大變形量um（disp）	最大應(yīng)力MPa （stress）
棘爪	482	802

 

圖5.變形量與應(yīng)力結(jié)果

最大應(yīng)力為802MPa，棘爪的評(píng)價(jià)指標(biāo)為在駐車工況下不超過(guò)材料抗拉極限即可，最大變形量為482um，默認(rèn)不超過(guò)500um即可。

拓?fù)鋬?yōu)化

1、設(shè)計(jì)變量desvar：體積最小化，在props中選擇前面所創(chuàng)建的棘爪設(shè)計(jì)區(qū)域；

2、響應(yīng)：1)、體積分?jǐn)?shù)，即為后面的優(yōu)化目標(biāo)

     2)、棘爪與駐車齒輪接觸位置最大位移：≤500um

    3)、棘爪最大應(yīng)力：≤1080MPa

上述2) , 3)當(dāng)做拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)約束

 

此時(shí)模型樹(shù)中定義的響應(yīng)如下：

3、定義設(shè)計(jì)約束

 

創(chuàng)建設(shè)計(jì)約束，response選擇步驟2中應(yīng)力與位移設(shè)計(jì)約束，上限值按步驟2給定；

4、定義目標(biāo)：使得響應(yīng)vol（體積）最小。即使得體積分?jǐn)?shù)最小，從而體積最小，質(zhì)量最輕。

5、進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化

6、查看拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

本次分析共迭代了40次，前39次均為中間過(guò)程，因此只查看最后一步結(jié)果：

附：拓?fù)涞^(guò)程云圖：

ISO（等值圖） = 0.3以上的密度分布云圖

 

利用Ossmooth對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何生成，Ossmooth面板如下：

生成的幾何如下：

后續(xù)即可導(dǎo)出該幾何并結(jié)合ISO等值圖對(duì)概念設(shè)計(jì)模型進(jìn)行幾何重構(gòu)，并再次驗(yàn)證其性能。

幾何重構(gòu)模型如下：

對(duì)優(yōu)化后幾何重構(gòu)的幾何進(jìn)行再次分析，其應(yīng)力與變形量分析結(jié)果如下表所列：

零部件	最大變形量um（disp）	最大應(yīng)力MPa （stress）
棘爪	469	877

應(yīng)力與位移云圖如下：

注：本次所取最大應(yīng)力點(diǎn)為棘爪上圓弧過(guò)渡處最大應(yīng)力，并非接觸面上的最大應(yīng)力，接觸面上的最大應(yīng)力為赫茲應(yīng)力，一般對(duì)接觸面上的應(yīng)力不評(píng)價(jià)。

優(yōu)化前后質(zhì)量對(duì)比：

零件	優(yōu)化前棘爪質(zhì)量	優(yōu)化后棘爪質(zhì)量	減重比
質(zhì)量	0.808kg	0.584kg	27.1%

結(jié)論：

通過(guò)本次拓?fù)鋬?yōu)化分析，棘爪質(zhì)量由0.808kg減小至0.584kg，優(yōu)化后較優(yōu)化前減重27%，且優(yōu)化后最大應(yīng)力與最大位移均滿足既定要求，本次拓?fù)鋬?yōu)化視為合格。

心得

通過(guò)本次拓?fù)鋬?yōu)化，學(xué)習(xí)了Optistruct求解器接觸的基本用法，同時(shí)對(duì)接觸力學(xué)的三種非線性知識(shí)有了一定的了解。掌握了拓?fù)鋬?yōu)化的基本用法，能利用該方法解決工程中的一些實(shí)際問(wèn)題，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本次雖為第一次使用Optistruct求解器，但從本次的拓?fù)鋬?yōu)化中，收獲頗多，在今后的工作中，也會(huì)使用該軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕工作量的同時(shí)，也能達(dá)到減重降本的目的。

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