基于拓扑优化方法的汽车传动轴轻量化设计

摘要

汽车轻量化设计一直是国内外专家学者研究的热点问题，传动轴作为汽车传动的关键部件也吸引着众多学者的关注。近几年国内对传动轴的研究虽然取得了一定的研究成果，但由于研究起步较晚，轻量化设计理论和严格的生产制造体系还未完全建立，国产传动轴与国外同类产品相比，在重量及可靠性等方面还存在较大改善空间。因此，本文在前人研究基础上，从机械结构和材料两个方面对重载汽车的传动轴进行了轻量化设计研究。 在传动轴结构轻量化设计方面，对重型汽车传动轴的凸缘叉、花键轴叉及万向节叉进行了结构优化设计。首先在Creo2.0软件中建立零部件的三维模型，使用ANSYS Workbench软件对其进行结构静力学分析，得到危险截面与实际断裂部位一致，且模型质量与实物称重吻合，完成三维模型的校正。然后采用变密度法对模型进行结构拓扑优化分析，根据分析结果对其结构形状进行消减和尺寸优化，并对优化后的零部件进行了校核。 在传动轴材料轻量化设计方面，分别采用铝合金、镁合金和复合材料对传动轴的凸缘叉和轴筒进行了材料轻量化设计。首先，同结构优化设计一样，建立好三维模型后导入ANSYS workbench中进行静力学分析，完成三维模型的校正。然后赋予零件三种不同的材料属性，结合结构优化设计方法分别对铝合金、镁合金及复合材料零件进行了优化设计。最后对优化后的零件进行了强度、刚度及疲劳校核。 在完成传动轴零部件的结构及材料优化后，本文根据传动轴特点进行了传动轴整体轻量化方案设计，通过对比不同方案的质量降低率、成本上升率及安全系数等因素，选择了两套方案作为传动轴整体优化设计的最终方案，使得传动轴质量分别降低16.1%和33%。实验结果表明，应用拓扑优化及材料轻量化设计方法，可以有效降低传动轴的质量，实现汽车传动轴轻量化设计目的。

目录

声明

第1章 引 言

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文主要研究内容

第2章 轻量化设计分析方法

2.1 轻量化设计方法

2.1.1 材料轻量化设计

2.1.2 结构优化设计

2.2 拓扑优化

2.2.1 拓扑优化原理

2.2.2 拓扑优化方法

2.3 变密度法

2.3.1 变密度法的理论基础

2.3.2 变密度法的SIMP材料插值模型

2.3.3 变密度法的SIMP优化准则及推导公式

2.3.4 优化准则法的求解流程

2.4 拓扑优化工具及其应用

2.5 拓扑优化在轻量化设计领域中的优势与不足

2.6 本章小结

第3章 传动轴零部件拓扑优化设计

3.1 传动轴结构分析

3.2 凸缘叉的结构优化设计

3.2.1 凸缘叉及其优化思路

3.2.2 凸缘叉的静力学分析

3.2.3 凸缘叉的拓扑优化设计

3.3 花键轴叉结构优化设计

3.3.1 花键轴叉及其强度分析

3.3.2 花键轴叉结构静力学分析

3.3.3 花键轴叉拓扑优化设计

3.4 万向节叉结构优化设计

3.5 本章小结

第4章 传动轴材质轻量化设计

4.1 轻量化材料

4.1.1 高强度钢

4.1.2 铝和铝合金

4.1.3 镁和镁合金

4.1.4 工程塑料及复合材料

4.2 材料的选择策略及轻量化方案设定

4.2.1用于材料评估的材料指数

4.2.2 轻量化材料的选择

4.3 凸缘叉材料轻量化设计

4.3.1凸缘叉力学性能分析

4.3.2凸缘叉材料轻量化设计方案

4.3.3凸缘叉材料轻量化方案对比

4.3.4铝合金凸缘叉疲劳分析

4.4 轴筒材料轻量化设计

4.4.1轴筒强度分析

4.4.2轴筒有限元分析

4.4.3轴筒材料轻量化方案设计

4.4.4 轴筒材料轻量化设计方案对比

4.5 轴筒疲劳分析

4.6本章小结

第5章 传动轴整体轻量化方案设计及校核

5.1传动轴的不同轻量化设计方案

5.2传动轴轻量化后的振动分析

5.2.1传动轴频率计算

5.2.2传动轴模态分析

5.3传动轴静扭及疲劳试验

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

附 录