離合器零件模態(tài)分析和拓撲優(yōu)化

1、中圖分類號：U463.211.02; TP391.77 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226(2007)11-0000-04模態(tài)分析和拓撲優(yōu)化在專用車離合器零件設計中的應用張鐵山 趙金磊南京理工大學機械工程學院 江蘇南京 210094摘要：采用有限元軟件，對汽車離合器從動盤總成波形片、盤轂、夾持盤等零件進行模態(tài)計算分析和拓撲優(yōu)化，獲得了結果，可用于指導設計。關鍵詞：離合器 零部件 有限元法1 引言離合器是汽車傳動系統(tǒng)中直接與發(fā)動機相連接的部件。雖然國內(nèi)離合器生產(chǎn)廠家、研究機構對離合器有許多研究16，而法雷奧公司（Valeo SA）、德國菲希特爾薩克斯公司（Fichtel & Sachs

2、 AG）、英國汽車產(chǎn)品公司（Automotive Products PLC）和日本大金制作所等國外離合器生產(chǎn)廠家、研究機構的研究成果往往保密，因此，實際裝車使用過程中，仍然出現(xiàn)了不少問題。例如離合器從動盤波形片、盤轂、夾持盤開裂等，這些嚴重的影響了離合器的正常工作，影響了整車傳動系統(tǒng)的正常工作。因此，就此相關問題進行研究有著較高的實用價值和一定的理論意義。 表1 波形片712階頻率 Hz階數(shù)789101112頻率46.44747.44279.632107.25114.41116.90以往對離合器零部件的研究，特別是國內(nèi)的汽車行業(yè)對離合器的研究，主要停留在理論計算、經(jīng)驗類比、樣品制作、實驗比較、

3、再進行改進的模式，反復多次才能得到理想的設計，這種設計方法既費時又費力。隨著計算機技術和CAE技術的不斷發(fā)展，有限元技術在離合器設計中的運用越來越多，其優(yōu)越性得到了人們的認可，有限元技術已經(jīng)成為產(chǎn)品設計、開發(fā)中的一種重要手段610。專用汽車由于具有作業(yè)裝置，可能對傳動系統(tǒng)的性能與壽命會產(chǎn)生影響。本文擬利用有限元技術對一些離合器零件進行模態(tài)分析，并進行拓撲優(yōu)化設計，這些工作將有助于離合器設計水平的提高。2 離合器零件的模態(tài)分析靜力分析是有限元分析的基礎工作，是檢查結構或構件在特定約束下對一定載荷條件的響應。因此，在分析中合理確定邊界條件、載荷條件是解決問題的關鍵。在確定邊界條件和載荷條件時，要運

4、用固體力學的有關理論進行分析，根據(jù)零件的運動、變形與受力情況在軟件中施加載荷與約束。雖然現(xiàn)在許多軟件，例如FATIGUE、ANSYS、IDEAS等都有良好的后處理，但軟件計算完畢，仍要進行仔細分析。分析的目的有：計算結果的可靠性和具體算例中的應力應變與變形兩個方面。計算結果的可靠性分析，一般可以通過有理論解的例子來驗證，最好是通過試驗數(shù)據(jù)等資料來驗證。在做模態(tài)分析、疲勞壽命估算前，一般都進行靜力分析。模態(tài)分析主要用于獲得現(xiàn)有設計結構和部件的振動特性，即該構件固有頻率和振型，它們是動態(tài)結構設計中的重要參數(shù)。為了降低由于共振引起的系統(tǒng)破壞，所以對離合器構件進行模態(tài)分析是必要的。2.1 離合器從動盤

5、波形片算例零件材料為65Mn鋼板。根據(jù)材料特性參數(shù)，選用ANSYS程序中的蘭索斯法(Lanczos)求解，得到模態(tài)分析的結果。由于前6階計算的是剛體模態(tài)，且頻率是零，表1列出了波形片712階的頻率，頻率范圍為46.447116.90 Hz。圖1為對應波形片的第七階模態(tài)變形圖。由于該波形片所適用的汽車發(fā)動機的穩(wěn)定轉速為6 000 r/min，因此其危險頻率應該在100 Hz左右，該頻率在第9階和第10階模態(tài)頻率之間，因此所設計的波形片前幾階所產(chǎn)生的共振是不可避免的，所以在重新設計的時候要特別地注意避開發(fā)動機的固有頻率。因此，有理由相信，以往波形片斷裂現(xiàn)象與振型有關。除了發(fā)動機的運轉的固有頻率以外

6、，還可能有專用車作業(yè)裝置運轉的固有頻率。在設計的時候要特別的注意避開。圖1 波形片第7階模態(tài)變形圖2.2 離合器夾持盤算例 表2 夾持盤712階頻率 Hz階數(shù)789101112頻率601.17679.231269.61587.11587.11913.5夾持盤采用08鋼板沖壓而成。選用ANSYS程序中的蘭索斯法求解得到模態(tài)分析的結果。表2為夾持盤712階的頻率，頻率范圍為601.171 913.5 Hz。圖2為夾持盤的第七階模態(tài)變形圖。由于該離合器夾持盤所適用的汽車發(fā)動機的穩(wěn)定轉速為6 000 r/min，因此該汽車傳動系統(tǒng)承受的是0100 Hz，由于此六階頻率不在汽車傳動系統(tǒng)的激勵頻率，夾持盤

7、不會產(chǎn)生共振。但是，需要注意的是，夾持盤的固有頻率也應該避開專用車作業(yè)裝置運轉的固有頻率。圖2 夾持盤第7階模態(tài)變形圖2.3 離合器盤轂算例盤轂采用的45鋼材料，根據(jù)材料特性參數(shù)，選用ANSYS程序中的蘭索斯法(Lanczos)求解，得到模態(tài)分析的結果。整個模態(tài)分析提取了盤轂的前712階彈性體模態(tài)，712階的頻率如表3所示。圖3為盤轂第七階的模態(tài)變形圖。由圖3中可以看出，該階模態(tài)為窗口在XY平面內(nèi)的上下彎曲變形，對應的固有頻率為1 805.2 Hz，由于汽車發(fā)動機的轉速一般不會高于6 000 r/min，因此其危險的頻率應該在0100 Hz的范圍內(nèi)，該模態(tài)不在這個范圍內(nèi)，因此不會產(chǎn)生共振。 表

8、3 盤轂712階頻率 Hz階數(shù)789101112頻率1805.22003.22456.32456.33015.93623.8表3中其它五階模態(tài)變形為：第八階模態(tài)變形，表現(xiàn)為四個窗口在Z軸的彎曲變形，固有頻率為2 003.2 Hz；第九階模態(tài)變形，其表現(xiàn)為四個窗口中對稱兩個在Z軸正向、負向翹曲，另外兩個為在XY平面內(nèi)的彎曲變形，固有頻率為2 456.3 Hz；第十階模態(tài)變形，其變形與第九階基本相同，只是窗口發(fā)生了90輪換，固有頻率也為2 456.3 Hz；第十一階模態(tài)變形，其表現(xiàn)為四個窗口在XY平面沿Z軸正向和負向的彎曲變形，四個窗口的前端和后端首尾相接，固有頻率為3 015.9 Hz；第十二階

9、模態(tài)變形，其表現(xiàn)為四個窗口在XY平面前端沿Z軸正向變形和后端為沿著Z軸負向的彎曲變形，四個窗口周期對稱，固有頻率為3 015.9 Hz。由于此五階頻率遠遠高于汽車傳動系統(tǒng)的激勵頻率，所以此盤轂的固有頻率與發(fā)動機的固有頻率匹配是合理的。但是，設計時需要考慮專用車的作業(yè)裝置的激振頻率影響。圖3 盤轂第七階模態(tài)變形圖3 離合器零件的拓撲優(yōu)化離合器部分零部件結構的拓撲優(yōu)化設計，對連續(xù)體拓撲優(yōu)化，提出了變厚度法、均勻化理論和變密度法等諸多理論。ANSYS軟件提供了一種基于等強度的拓撲優(yōu)化方法，能夠在給定外載荷和邊界約束條件下，通過迭代求解，獲得一個最優(yōu)的幾何外形。連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化的最大優(yōu)點是能在預先不

10、知道結構拓撲形狀的前提下，根據(jù)已知約束邊界條件和載荷邊界條件確定出結構較好的承力結構形式，因此它對工程設計的初始階段的選型設計非常有意義，但它不涉及結構的具體構件尺寸的設計，只是提出了可行的設計方案。下面將利用ANSYS軟件的拓撲優(yōu)化模塊對某離合器從動盤盤轂和波形片的結構進行拓撲優(yōu)化設計研究，為設計和改進提供依據(jù)。3.1 離合器盤轂算例在對零件進行拓撲優(yōu)化設計之前首先必須要確定拓撲優(yōu)化的初始模型。所謂拓撲優(yōu)化模型的建立，最終要的就是確定零件的優(yōu)化區(qū)域。優(yōu)化設計區(qū)域就是優(yōu)化前的初始結構。優(yōu)化設計區(qū)域應該既符合受力、支撐等特點，又便于優(yōu)化計算。確定從動盤盤轂的設計區(qū)域時，要按照整個盤轂的總體尺寸，

11、并根據(jù)整個從動盤的尺寸要求確定大致的外形尺寸。圖4 盤轂優(yōu)化用模型圖5 盤轂拓撲優(yōu)化后結構為了保證盤轂在結構上和夾持盤的連接，因此，在本次拓撲優(yōu)化的過程中保證了在窗口尺寸大小的不變。同時根據(jù)盤轂的幾何條件要求以及其受力特點分析，結合該從動盤的總體布置要求構筑盤轂的拓撲優(yōu)化空間，如圖4所示。圖6 優(yōu)化后盤轂靜態(tài)最大等效應力圖盤轂拓撲優(yōu)化后的結構形狀如圖5所示，優(yōu)化后再進行加載分析，結果如圖7所示。從圖6中可以看到，優(yōu)化后盤轂的最大等效應力位置還是發(fā)生在窗口原先的位置，其應力的大小由原來的241.074 MPa減小為220.7 MPa，改變幅度為9.13；其次，均勻化了結構應力的同時也減輕了結構的

12、質量。圖7 波形片優(yōu)化用模型3.2 離合器從動盤波形片算例與盤轂優(yōu)化模型的建立一樣，從動盤波形片的拓撲優(yōu)化模型的建立，最終要的也是確定波形片的優(yōu)化區(qū)域。波形片優(yōu)化設計區(qū)域也應該既符合受力、支撐等特點，又要便于優(yōu)化計算。為了保證波形片在結構上的連接要求，開始設計時根據(jù)波形片的幾何條件要求以及其受力特點，結合該型從動盤的總體布置要求，構筑波形片的拓撲優(yōu)化空間，如圖7所示。圖8 波形片拓撲優(yōu)化后結構拓撲優(yōu)化后的結構形狀如圖8所示，優(yōu)化后再進行靜力加載分析。優(yōu)化后波形片的最大等效應力位置還是發(fā)生在脖頸位置，其應力大小由原來的314.08 MPa減小為287.141 MPa，改變幅度為9；其次，優(yōu)化掉的

13、部分相對于原來也有所減小，因此質量也減輕了許多。因此，應用基于有限元的連續(xù)體拓撲優(yōu)化的均勻化方法，以結構最小應變能為目標對波形片進行優(yōu)化設計，讓波形片材料的分布更為科學合理，結果使得在減輕結構質量的同時也降低和均勻化了結構應力。4 結束語本文采用有限元分析軟件對離合器從動盤波形片、夾持盤、盤轂進行了模態(tài)分析和拓撲優(yōu)化。通過計算與分析，得到了對離合器設計有益的以下結果：a. 通過模態(tài)分析表明，有些零件的固有頻率在發(fā)動機最高轉速(6 000 r/min)所對應的頻率內(nèi)。所以，設計時應考慮零件的固有頻率，以避免共振發(fā)生。b. 設計時應考慮零件的固有頻率，使之遠離專用汽車作業(yè)裝置的固有頻率，以避免零件

14、激振發(fā)生破壞。c. 通過拓撲優(yōu)化技術對從動盤波形片和盤轂進行拓撲優(yōu)化設計后，得到的新的設計方案與原來的設計相比，材料的分布更為合理，使得在減輕結構質量的同時也降低和均勻化了結構應力。參考文獻1 徐石安，江發(fā)潮. 汽車離合器M. 清華大學出版社.2004.2 張鐵山，朱茂桃. 汽車離合器壓盤熱變形和熱應力的有限元分析J. 汽車技術，1995.5: 23-26. 3 朱茂桃，邱梅開. 離合器蓋剛度的有限元分析J. 農(nóng)業(yè)機械學報. 1997.1: 110-113.4 王力. 夏利轎車離合器部分零件的有限元分析J. 天津汽車. 1998.4: 16-20.5 加藤雅家，真導秀和. 自動FEM解析J.

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