李琪，高興超

（德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，山東 德州 253000）

新能源汽車(chē)減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

李琪，高興超

（德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，山東 德州 253000）

文章研究了基于拓?fù)浞椒ǖ哪承托履茉雌?chē)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先利用Pro-e進(jìn)行減速器建模，將三維模型導(dǎo)入ANSYS，根據(jù)減速器受力情況確定其邊界條件，然后以柔度最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化后減速器質(zhì)量減小了15%，最后對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，仿真結(jié)果表明減速器模型滿足材料強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車(chē)減速器輕量化設(shè)計(jì)。

新能源汽車(chē)；減速器；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-10-02

前言

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展,環(huán)境污染日益嚴(yán)重,降低汽車(chē)有害氣體排放量、開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，電動(dòng)車(chē)減速器在影響電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程和車(chē)輛性能起到關(guān)鍵作用。因此,對(duì)新能源汽車(chē)減速器的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1、拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)研究

首先建立基礎(chǔ)模型，通過(guò)最優(yōu)化搜索方法保留必要部分，去掉非必要部分，確定最優(yōu)布局，以整體結(jié)構(gòu)離散成n個(gè)單元，每個(gè)單元為xi（i=1,2.3......n），優(yōu)化后若第j個(gè)單元為非必要單元，Xj為0，反之為1[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，拓?fù)鋬?yōu)化只需定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型、材料特性、約束、載荷及要拓?fù)洳牧系陌俜直?。變密度法將連續(xù)體離散為密度為[0－1]之間的可變材料，以單元密度作為設(shè)計(jì)變量尋找材料最優(yōu)分布。ANSYS中默認(rèn)的優(yōu)化方法即為變密度法[2]。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中：F（x）為目標(biāo)函數(shù)；gj（x）為約束條件；m為不等式約束個(gè)數(shù)；hk（x）為等式約束；l表示等式約束個(gè)數(shù)[3]。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中首先建立拓?fù)鋬?yōu)化空間，確定邊界條件及受載狀態(tài)，再確定優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，軟件自動(dòng)刪除無(wú)關(guān)材料，最終達(dá)到最優(yōu)。

2、減速器建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

本文研究對(duì)象是某電動(dòng)汽車(chē)三級(jí)減速器，每個(gè)軸與減速器體之間采用圓柱滾子軸承連接，減速器安裝方式采用傳統(tǒng)地腳螺栓固定，減速器左端為輸入端，利用平鍵鏈接電機(jī)或馬達(dá)，輸入車(chē)逨高轉(zhuǎn)矩小的轉(zhuǎn)力，右端為輸出端。利用Proe建模，減速器拓?fù)鋬?yōu)化前三維模型圖如圖1。

圖1 減速器拓?fù)鋬?yōu)化前三維數(shù)模3D model of reducer

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前確定其計(jì)算流程，首先采用的變密度法和ANSYS軟件，構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)空間，對(duì)數(shù)據(jù)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行合理性分析，若優(yōu)化結(jié)果不合理，則修改優(yōu)化參數(shù)重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，若計(jì)算結(jié)果合理，則對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的接過(guò)進(jìn)一步分析[4,5,6]。

3、仿真分析計(jì)算

ANSYS中定義減速器材料屬性和力學(xué)特性為：材料Q235A，彈性模量206GPa，泊松比0.3，密度7810Kg/m3，強(qiáng)度極限375-460MPa，屈服極限235MPa。采用更易于收斂的四邊形單元對(duì)車(chē)身進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完共得到10086個(gè)單元和12408個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 減速器拓?fù)浞抡嬗?jì)算結(jié)果Fig2 Reducer topology optimization simulating calculation results

設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，選用柔度最小作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)定去除材料體積約束比上限為15%；并設(shè)定去除材料體積約束比上限為15%，建立以固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)的減速器拓?fù)鋬?yōu)化模型，將以上模型數(shù)據(jù)以APDL方式輸入ANSYS中進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)32次迭代后減速器拓?fù)鋬?yōu)化仿真計(jì)算結(jié)果如圖2。

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的減速器進(jìn)行進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，滿足減速器材料強(qiáng)度的要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)后應(yīng)力云圖如圖3所示。優(yōu)化前減速器的質(zhì)量為24.6kg，優(yōu)化后質(zhì)量為20.8kg，減小了15%。

圖3 減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)后應(yīng)力云圖Fig.3 The stress cloud chart of the optimum design of the reducer

4、結(jié)論

利用ProE對(duì)減速器進(jìn)行建模，以減速器柔度最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)算法計(jì)算，減速器質(zhì)量減小15%，仿真分析表明減速器優(yōu)化后的模型滿足材料強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車(chē)減速器輕量化設(shè)計(jì)，為新能源汽車(chē)減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效方法。

[1] 何青林.純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配及性能仿真研究[D].鄭州大學(xué),2015.

[2] 王量.純電動(dòng)汽車(chē)減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析[D].吉林大學(xué),2015.

[3] 周晶晶.純電動(dòng)汽車(chē)兩擋自動(dòng)變速器試驗(yàn)與仿真[D].湖南大學(xué),2014.

[4] 楊文興.純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與仿真研究[D].蘭州理工大學(xué),2014.

[5] 李洋.電動(dòng)輪輪邊減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及有限元分析[D].山東大學(xué),2012.

[6] 盧麗娟.電動(dòng)車(chē)輪邊減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析[D].太原科技大學(xué),2015.

Optimization design and simulation analysis of reducer in new energy vehicle

Li Qi, Gao Xingchao
( College of Automotive Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253000 )

A The article studies the optimization design of a new energy vehicle reducer based on topological method. Firstly, ProEis used to model the reducer, and then the 3D model is imported into ANSYS, the boundary conditions calculated by using algorithm for topology optimization are determined by the stress state of the reducer. As we take minimization the mass of the reducer as the optimized goal, we compare the final strength of the structure before and after optimization under the same condition, under the condition of meeting the static strength, the mass of reducer decreased by 15% after optimization, and we achieve the goal of designing lightweight reducer in the new energy vehicle.

new energy vehicle; reducer; topological optimization; lightweight

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-10-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.005

李琪，就讀于德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院。