EPAS扭杆弹簧的有限元分析和优化设计

第3期(总第154期) 2009年6月 机械工程与自动化 MECHANICALENGINEERlNG&AUTOMATl0N No．3 Jun． 文章编号：1672—6413(2009)03—0026一03 EPAS扭杆弹簧的有限元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和优化设计 汪佳棵，杨树军 (华东交通大学机电工程学院，江西 南昌 330013) 摘要：在Pro／MECHANlCA环境下．对扭杆弹簧进行静态分析、灵敏度分析及优化设计，得到了满足优化约 束的最佳参数和几何模型。优化结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：利用Pro／MECHANICA软件可以实现实体建模、结构分析及优化 设计的无缝集成。提高了新产品开发的效率和可靠性。同时为产品的标准化设计提供了参考依据。 关键词：Pro／MECHANlCAI结构分析；优化设计 中图分类号：THl35 文献标识码：A 0 引言 电动助力转向器(ElectricalPowerAssisted Steering，简称EPAS)是一种直接依靠电机提供辅助 扭矩的动力转向系统，它可以在不同车速时提供电动 机不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活， 高速行驶时稳定可靠。EPAS主要由扭矩传感器、车速 传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等组成。扭 矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低 成本的扭矩传感器是决定EPAS能否占领市场的关 键因素之一。目前采用较多的是在转向轴位置加一扭 杆弹簧。通过测量扭杆弹簧的变形得到扭矩。因此，在 组成EPAS的所有零件中，扭杆弹簧是保证EPAS具 有优良性能的关键部件．是EPAS计算机辅助分析的 重要内容，也是EPAS优化设计的主要对象。 1 EPAS扭杆弹簧的结构分析 如图1所示，扭杆弹簧右端与扭矩输入轴花键连 接。左端在销孔部位与涡轮轴销接。当司机旋转方向 盘时，给输入轴施加一个扭矩，而输人轴同理也给扭 杆弹簧施加扭矩。 图1 EPAS中与扭杆弹簧接触部分的爆炸图 2 EPAS扭杆弹簧的计算机辅助有限元分析 Pro／E是当今世界上拥有用户最多的三维CAD 软件。而Pro／MECHANICA是强大的有限元软件，它 可以实现和Pro／E的无缝集成．即完全实现几何建模 和有限元分析的集成。其工作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图2所示。 设定 定义 定义 0 运行 ～⋯ 报耀 创建 —^ 单ft0约求、 书 设计 灵敏 —一^ 二互fr 哥 结果几似 —V和材 —1优化 模型 料属 载荷 参数 度分 政变 析 设计 性 模型 图2 Pro／MECHANICA优化设计工作 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word 2．1扭杆弹簧有限元分析的前置处理 扭杆弹簧的前置处理主要包括三维建模、属性定 义、网格划分、添加约束和施加载荷，通过Pro／Epart 模块完成扭杆弹簧的特征建模。得到有限元分析的数 据模型，扭杆弹簧结构材料为60Si2MnA，切变模量 G一7．99×104MPa，泊松比V----0．290，密度p=7．9× 103kg／m3，许用应力[f]=471MPa，且为各向同性材 料。选取四面体单元，使用AutoGEM对扭杆弹簧进行 自动网格划分，其网格模型如图3所示。 约束和载荷是Pro／MECHANICA中模拟真实模 型状态的非常重要的因素。而这种真实状态正是Pro／ MECHANICA进行分析(包括基本应力分析和灵敏 度分析)的基础。扭杆弹簧的工作状态为：用于检测驾 驶员施加在方向盘上的扭矩大小。并将其转换为相应 的转角值，并通过左端与涡轮轴的销接，将扭杆弹簧 两端的相对转角位移转换为滑块沿蜗轮轴的轴向位 移。因此，对于单独的扭杆弹簧，我们需要知道它的 扭转角。所以，对扭杆弹簧的模型处理为；约束死扭 收稿fJ期：2008，儿一03；修回日期，2009—02．04 作者简介：汪佳棵(1984一)．男．福建浦城人．在读硕士研究生。研究方向：机械电子工程。 万方数据 2009年第3期 汪佳棵．等：EPAS扭杆弹簧的有限元分析和优化设计 ·27· 杆弹簧的销孔内表面的全部自由度，使得扭杆弹簧的 左端固定，同时给扭杆弹簧右端加载一个大小为 7．18N·m的力矩。 图3扭杆弹簧的网格划分 2．2扭杆弹簧有限元分析的后置处理 通过对扭杆弹簧正确的加载、约束后，Pro／ MECHANICA模块会对扭杆弹簧自动地进行有限元 分析。图4、图5分别是扭杆弹簧的应力、应变云图。 通过图4、图5可以非常直观地看出扭杆弹簧的应力 集中处以及变形大小。 图4扭杆弹簧的应力云图 图5扭杆弹簧的应变云图 3灵敏度分析与优化设计 零件结构尺寸优化的目的是在不超过设计约束的 情况下找到一些可以满足设计目标的值，主要通过灵 敏度分析和优化设计两个步骤来实现。 扭杆弹簧结构尺寸优化的目的是减轻结构的质 量，提高结构的力学性能。因此在选择没计参数时遵 循以下原则：复合应力最大的部位尺寸；结构变形较 大的部位尺寸；出现集中应力点的部位尺寸；零件较 敏感的部位。从图4、图5我们可以清晰地看到：扭杆 弹簧右端与扭矩输入轴的接触处变形最大．左端与涡 轮轴销接的销孔部位复合应力最大并出现应力集中 点，此外。扭杆弹簧中间段部分也出现了应力集中点。 由于结构设计．扭杆弹簧的长度是不能变的，因此，选 择以上部位的直径作为设计参数。如图6所示。用参 数d。、以分别表示扭杆弹簧杆段的直径，用d，。表示销 孔的直径。 在建造扭杆弹簧模型的过程中，定义了很多的设 计参数，当这些设计参数变化时，必然会对模型性能 产生影响。如果将这些设计参数都用于优化设计，必 然导致计算量庞大。实际上各设计参数对扭杆弹簧承 载能力的影响程度是不同的，因此，用局部灵敏度定 量分析参数变化对扭杆弹簧模型的影响程度，通过局 部灵敏度分析明确哪些参数对系统的总体输出和动态 响应影响较大，排除那些影响程度很小的设计参数，从 而提高扭杆弹簧的优化设计效果。 图6选择了设计参数的扭杆弹簧模型图 另一方面，进一步研究这些重要设计参数，为这 些设计参数确定用于优化设计的变化范围，如果设计 参数的变化范围确定得不合理，也会造成优化设计的 效率低。因此，需要准确地描述扭杆弹簧对用于优化 设计的重要设计参数的灵敏度，从而确定合理的参数 变化范围。在灵敏度分析中，这种工作是通过运行全 局灵敏度分析来完成的。 图7为参数d。的局部灵敏度分析和全局灵敏度 分析结果，在图7(a)中，我们可以清晰地看到，应力 在62MPa一-．65MPa时，d。对模型的性能影响较大，从 而对d。作全局灵敏度分析。从图7(b)可以看出：d。为 7．00mm～7．20mm时，扭杆弹簧受到的最大应力为 64MPat96MPa；d6为7．20mm～9．00mm时，扭杆 弹簧受到的最大应力为96MPa～40MPa。其它参数 可按照同一方法进行分析。 通过灵敏度分析。确定出那些对模型性能影响最 大的设计参数。优化设计就足调整这些设计参数的数 值，使其性能达到最佳。在进行优化设计之前，应该 先设置好目标函数、设计变量、约束条件等，如式 (1)所示： fminf(X) ⋯⋯⋯⋯⋯，1、 lg，(x)≥o』一1，2，3，⋯，m。 “7 其中：X={Xi)，是”维设计变量，i一1，2，3，⋯，刀； g，(X)是肌个约束条件。 在本文中，目标函数为： minf(X)=min(total—ITIaS$)。⋯⋯⋯⋯⋯(2) 设计变量是灵敏度分析确定的设计参数： X={d4，d6，d13}。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3) 约束条件为： ％。≤[d]=1677MPa。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4) 万方数据 ·28· 机械工程与自动化 2009年第3期 由于Pro／E软件有参数化建模的特点。系统可根 据优化计算后的数据自动产生新的模型，设计者可对 优化前、后的模型应力、应变进行对比。优化后的应 力、应变图分别见图8、图9。 重 杂 恻 重 杂 剖 'L 、、 、 ‘、 ⋯一、 、 ＼ 、 、 !＼ ～ 、 (a)d。的局部灵敏度分析 ， ··』 ， ? ‘，⋯ 卜、 ’7．∞ ’。’．40 ’；’．Ⅸ} 8．∞ 8．t如 0．00 (％／1砷 (b)d。的全局灵敏度分析 囤7参数d。的局部灵敏度分析和全局灵敏度分析结果 比较图8、图9和图4、图5可以看出：经过优化 后，扭杆弹簧质量由0．185kg下降为0．145kg，扭杆 弹簧最大应力由71．65MPa上升为79．29MPa，扭杆 弹簧最大应变由0．13833mnl上升为0．1832mm。虽 然扭杆弹簧的最大应力和最大应变都有所提高，但始 终满足初始的约束条件，满足材料的许用应力。 4结语 随着科技的不断进步，制造业正向数字化方向发 展，产品的生命周期越来越短，新产品的上市速度要 求越来越快。Pro／MECHANICA帮助工程师们在一 个模拟真实环境的虚拟环境下对设计模型进行结构性 能和动态性能的评估，在设计初期就将设计和分析结 合起来，从而缩短产品设计与制造周期，降低试验成 本，提高产品质量，为企业迅速占领市场创造条件。 图8扭杆弹簧优化后的应力图 图9 扭杆弹簧优化后的应变图 参考文献： [1]张继春，徐斌．林波．Pro／EngineerWildfire结构分析 EM]．北京：机械工业出版社。2004． [2]祝凌云．李斌．Pro／Engineer运动仿真和有限元分析 fM]．北京：人民邮电出版社。2004． FiniteElementAnalysisandOptimizationDesign oftheTorsionBarSpringofEPAS WANGJia—ke．YANGShu-jun (SchoolOfMechanicalandElectricalEngineering．EastChinaJiaotongUniversity．Nanchang330013．China) Abstract：Thispapercarriedoutstaticanalysis·sensitivityanalysisandoptimizationdesignofthetorsionbarspringbasedonPro／ MECHANICA．obtainedthebestparametersandgeometrymodelwhichcouldsatisfytheoptimizationconstraint．Optimization resultsshowthattheuseofthesoftwarePro／MECHANICAcanimplementtheseamlessintegrationofentitymodeling．structural analysisanddesignoptimization．increasethedevelopmentefficiencyandthereliabilityofthenewproducts．Meanwhile．ithas providedthereferencefortheproductstandardizeddesign． Keywords：Pro／MECHANlCA；structureanalysis；optimizationdesign ∞ ∞ ∞ 硼 ∞ 印 ∞ 万方数据 EPAS扭杆弹簧的有限元分析和优化设计 作者： 汪佳棵， 杨树军， WANG Jia-ke， YANG Shu-jun 作者单位： 华东交通大学,机电工程学院,江西,南昌,330013 刊名： 机械工程与自动化 英文刊名： MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION 年，卷(期)： 2009(3) 参考文献(2条) 1.祝凌云;李斌 Pro/Engineer运动仿真和有限元分析 2004 2.张继春;徐斌;林波 Pro/Engineer Wildfire结构分析 2004 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sxjx200903010.aspx