转向万向节拓扑优化

本案例，模型粗糙，网格粗糙，大家就当做一个简单例子来看，知道它的应用场景就好，也就起一个参考作用，对比结果也没有总结出一个比较好的让人信服的结论，且不说还不一定准确。

以某新能源小型汽车转向系统中的转向万向节零件为研究对象，首先运用 3D软件，构建三维模型，然后运用ANSYS软件的拓扑优化模块进行有限元模型搭建以及拓扑优化，分析对比优化前后的静力学特性以及前3阶模态的影响，以验证优化的综合性能。

1 拓扑优化设计理论模型

在进行拓扑优化时，应当采用综合考虑结构尺寸、形状及拓扑的优化设计方法。在约束方面，应当考虑应力约束、位移约束以及最小构件尺寸约束。

2 有限元模型建立

汽车自动转向系统如图1所示。

图 1 汽车转向系统示意图

在转向过程中，转向万向节会受到扭力以及轴向挤压力的作用，因此在对转向系统的转向万向节进行拓扑优化时，综合考虑这2种载荷的作用。利用 SolidWorks软件构建转向万向节的三维模型，如图2所示，并按要求装配。

图 2 转向万向节模型

以汽车的实际应用参数加载以及万向节材料的选取，具体方式如图3所示，在万向节输入端加载716N·m的扭矩，在万向节输出端加载固定约束。网格划分采用三维应力单元，在优化目标区域可以适当密集。选择汽车转向万向节常用的40Cr定义材料属性，在ANSYS Workbench中的Static Structural 中进行设置。材料属性如表1所示，计算单位为长度mm，质量kg，力N，质量密度kg/m^3，应力MPa。

图 3 载荷添加方式

表 1 转向万向节材料属性

3 拓扑优化

将接触面以及载荷约束面设置为优化保留区域， 将其他部分都设置为优化区域。在ANSYS Workbench中， 通过调用Topology Optimization插件进行拓扑优化，选择保留材料质量为60%进行计算，迭代结果如图4所示。

图 4 优化结果

利用Workbench的Space Claim插件对转向万向节模型的轮廓与细节进行修复，使用样条曲线描边，使得零件整体光滑、规整、便于加工。根据拓扑优化结果修复后的零件特征模型如图5所示。

图 5 修复后模型

4 原始模型与重构模型对比

对比优化前后的性能效果，对优化前后模型的静力学状态以及整体模态进行分析，分析过程中保证材料选择、载荷施加方式以及网格划分的一致性。

4.1 静力学分析对比

优化前转向万向节静力学状态如图6所示。由图6可得，优化前最大变形为 0.23049mm，最大应力为635.11MPa，最大应变为0.003248。优化后转向万向节静力学状态如图7所示，可知最大变形为0.24695 mm，最大应力为643.22MPa，最大应变为0.00325。对比图6与图7可以发现，由于材料去除了40%，以及优化后模型的平滑处理，导致在同等载荷与约束的情况下，转向万向节的总体变形、等效最大应力以及等效最大应变略微上升，上升幅度分别是7.1%，0.13%，1.2%，影响都在 10% 以内，变化幅度在可控范围内。综合考虑静力学分析结果以及轻量化结果，优化后的模型达到了预期效果。

（a）变形云图 （b）应力云图 （c）应变云图

图 6 未优化静力学结果

4.2 前 3 阶模态分析对比

对优化前后的汽车转向万向节进行模态求解，得到前3阶振型云图分别如图8、图9所示。对比图8、图9可知，优化前后的转向万向节振型相似，没有太大的改变与破坏。优化前1阶固有频率891.93 Hz，2阶固有频率1 359.9Hz，3阶固有频率2442.8Hz；优化后1阶固有频率830.92Hz，2阶固有频率1266.8Hz，3阶固有频率2032.6Hz。优化后由于质量减少了 40%，前3 阶固有频率有不同程度的下降，但是下降幅度在可控范围内。综合考虑模态分析结果以及轻量化结果，优化后的模型达到了预期的理想效果。

图 7 优化后静力学结果

（a）1 阶 （b）2 阶 （c）3 阶

图 8 优化前 1-3 阶模态振型图

（a）1 阶 （b）2 阶 （c）3 阶

图 9 优化后 1-3 阶模态振形图

5 结语

满足其使用性能的前提下，转向万向节零件质量减少了40%。对其静力学特性以及前3 阶模态进行了对比分析，优化前后的转向万向节方案综合影响在10%以内，达到了轻量化设计的目的，实验结果对工程实践具有一定的指导意义。

网络整理，仅限内部分享，禁止商用。