73_基于HyperWorks的齿轮箱吊座优化设计_陈德强

Altair 2011 HyperWorks 技术大会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集 1  基于 HyperWorks的齿轮箱吊座优化设计 陈德强 冯遵委 （南车南京浦镇车辆有限公司，南京，210031） 摘要：本文根据 EN13749 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的要求，在 HyperWorks的 OptiStruct模块下对设计的齿轮 箱吊座进行优化设计，并通过试验验证了优化设计后的齿轮箱吊座满足静强度及疲劳强度的 要求。 关键词：HyperWorks ；OptiStruct；齿轮箱吊座；优化设计 目前机车、高速动车组及城市轨道车辆转向架构架通常都采用焊接结构，其是由低合金 高强度钢板组焊成箱形结构，并在侧梁及横梁上焊接齿轮箱吊座、电机吊座、抗侧滚扭杆支 座、减振器支座等，用于转向架其它零部件的安装。 齿轮箱吊座用于安装齿轮箱传动装置，在车辆运行过程中，将反复承受电机牵引扭矩和 制动扭矩的反作用力，同时还承受来自轨道的振动冲击载荷，工作环境十分恶劣，所以其必 须有足够安全裕量。随着人们环保意识的增强以及低碳经济的发展，轻量化设计理念也逐渐 应用到轨道车辆领域中，然而轻量化设计不仅受到强度、刚度等结构问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的制约，还有车辆 运行过程中不确定性因素对其安全性的影响，因此如何在确保结构安全的前提下达到理想化 的轻量化设计成为研发设计中的重要课题之一。 本文在 HyperMesh中建立齿轮箱吊座优化设计模型，采用 OptiStruct模块对齿轮箱吊 座进行拓扑优化概念设计，通过 HyperView 对优化设计结果进行后处理，对初步优化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行人工干预，进一步改进设计，最终对优化设计后的产品进行了台架试验验证。 1 数学模型 OptiStruct是一款卓越的有限元结构分析和优化软件，内含一个准确快速的有限元求解 器，用于进行概念设计和细化设计。用户使用其中的标准 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 库和各种边界条件类型，可以 进行线性静态和优化分析。OptiStruct的主要优化方法有拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、 以及自由尺寸和自由形状优化等方法，这些方法被广泛应用于产品开发的各个阶段。 渐进结构优化法作为现代优化算法的一个分支，以其宽松的优化条件和优良的优化效 果已成为现代工程结构优化领域中最为常用的拓扑优化方法之一。根据一定的优化准则，在 优化迭代中，该方法采用固定的有限元网格，对存在的材料单元，其材料数编号为非零数， 而对不存在的材料单元，材料编号为零。当计算结构刚度矩阵等特性时，不计材料数编号为 零的单元特性，通过这种零和非零模式实现结构拓扑优化[1]。 在基于结构优化的有限元中，线性静态等式可描述为 FKU = ，其中K为刚度矩阵，U 为位移矢量， F 是施加的载荷矢量，在设计变量 X 下等式变换为： X F= X KU X UK ∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂ 齿轮箱吊座的拓扑优化设计以材料的许用应力为约束条件，以齿轮箱吊座的质量为目 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 2  标，具体的变量及约束条件为： （1）设计变量： [ ] ( ),n,i,LT Tii ⋅⋅⋅= 21 ； （2）目标: minM ； （3）约束条件: max sσ σ⎡ ⎤≤⎣ ⎦ ； 其中， iT ， iL 为齿轮箱吊座厚度与宽度；M 为齿轮箱吊座质量； maxσ 为齿轮箱吊座 最大应力， sσ 齿轮箱吊座材料最大许用应力。 2 优化设计 2.1离散模型 齿轮箱吊座为铸造结构，在 HyperMesh中对结构进行有限元离散，采用 solid四面体 单元，共离散为 23639个单元，6625个节点。齿轮箱吊座的材料参数如表一所示。 表一、齿轮箱吊座材料特性 材料 杨氏模量（GPa） 泊松比 密度(kg/m^3) 屈服强度(MPa) G20Mn5 210 0.3 7900 300 2.2计算工况 齿轮箱吊座不仅承受牵引电机的启动、制动扭矩以及瞬间短路扭矩的反作用力载荷，而 且在车辆运行过程中还要承受其本身的振动惯性载荷。计算工况如表二所示： 表二、计算工况 计算工况 载荷描述 超常静强度计算 牵引电机短路 振动惯性载荷 疲劳强度计算 电机牵引扭矩 电机制动扭矩 振动惯性载荷 齿轮箱吊座有限元模型边界条件如图 1所示，与构架焊接区域施加全约束，用梁单元 模拟齿轮箱反力杆的关节轴承，以施加垂向反作用力。 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 3  图 1 载荷及边界条件 2.3优化结果 在有限元软件 Altair HyperWorks的 OptiStruct模块下设置优化设计变量及边界条件， 进行求解，通过 HyperView模块对计算结果进行后处理，初步的优化结果如图 2所示，结 果显示计算机经过 11步的迭代计算，齿轮箱吊座密度计算结果收敛于 1，优化计算完成。 图 2初步优化结果 齿轮箱吊座初步拓扑优化后的应力云图如图 3所示，最大应力为 246.7Mpa，安全系数 为 1.2，满足结构强度要求，与原设计相比安全系数较低，需要对初步优化后的结果进行人 工干预和改进，使得优化后的结构仍然具有较高的强度和安全系数。 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 4  图 3 初步优化结构应力云图 根据齿轮箱吊座的结构特点、空间安装要求及初步优化设计的分析结果，对结构改进设 计，改进后的三维模型如图 4所示 图 4 改进优化设计模型 再次对齿轮箱吊座改进结构进行有限元强度分析，最大应力为 129Mpa，而原始结构的 最大应力为 110Mpa，优化前后最大应力相差不大，有足够的安全裕量，优化前后的应力云 图如图 5所示。 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 5  图 5 优化前、后最大应力云图 3 试验验证 2011年 3月，法国 AEF实验室按照 EN13749标准对该构架进行了超常载荷静强度试 验、模拟运营载荷疲劳试验和 1000万次动态疲劳试验，以及电机吊座、齿轮箱吊座 200万 次补充振动惯性试验，试验结果完全满足标准和相关规范要求[2]。图 7为齿轮箱吊座试验照 片。 图 7 齿轮箱吊座强度试验 4 结论 本文以齿轮箱吊座质量最轻为优化设计目标，在 HyperMesh下建立的齿轮箱吊座有限 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 6  元模型，在 OptiStruct模块下对齿轮箱吊座进行优化设计，设计结果表明： 1) 通过拓扑优化，齿轮箱吊座质量与原始设计相比较降低了 28.5%，达到了轻量化的目 标，并且节约了生产成本。 2) 经过有限元分析计算，优化后的结构最大应力与原始结构的最大应力相差不大，满足应 力约束条件，进一步通过静强度和疲劳强度试验证明，优化设计后的齿轮箱吊座满足相 关标准要求。 3) 由齿轮箱吊座的拓扑优化过程和结果可见，OptiStruct模块下的拓扑优化设计方法可应 用于其它零部件的优化设计。 参考文献 [1] 张伟,鹿晓阳,杜忠友等. 渐进结构优化方法及算例.山东建筑工程学院学报. 2006.4 95~103. [2] VION V. PW2300 POWER UNIT BOGIE FRAME UIC FATIGUE TESTS. Optimization Design of Gear Box Bracket Based On HyperWorks Chen Deqiang Feng Zunwei Abstract: According to the requirement of EN13749 standard, this paper make optimization design for gear box bracket in the OptiStruct module of HyperWorks. The optimization designed gear box bracket meet the requirement of static and fatigue strength by means of strength test. Key word: OptiStruct; gear box bracket; optimization design; HyperWorks