基于ANSYS的試驗臺底座優化設計

林巨廣，胡凱江

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

基于ANSYS的試驗臺底座優化設計

林巨廣，胡凱江

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

汽車變速箱空載試驗臺是汽車變速箱生產企業常用的一種試驗裝備。試驗臺底座對試驗臺整體性能具有重要的影響。介紹了優化設計的理論基礎。在原試驗臺底座機構的基礎上，采用ANSYS對底座的各項靜、動態性能進行分析，找出優化的方向:更改底座的結構節約了生產底座的材料，改變底座的約束類型提高了底座的抗震性能。并對優化前后底座的性能進行了比較分析。

汽車變速箱空載試驗臺;底座結構;優化設計;有限元分析

在科技持續發展的今天，機械設計與計算機技術的結合越來越密切，設計趨于復雜化、敏捷化、智能化。設計人員借助于有限元方法能夠快速準確地分析出產品的各項性能指標，通過不斷的優化達到節約材料、改善機械性能、延長使用壽命等目的。隨著汽車工業的持續發展，人們對汽車的各項性能提出了越來越高的要求。試驗臺在汽車的各項測試中都起著重要的作用。因此，如何設計出高性能的試驗臺便成為汽車制造業當前所面臨的一大難題［1］。目前試驗臺的設計參數基于簡單的計算及設計經驗數據，為安全考慮，均留有較大的余量，設計的安全系數較大，浪費了材料，增加了設備成本。對其進行結構優化具有較大的意義和應用價值。

1 優化設計的理論基礎

1.1 優化設計的數學模型表示

所謂的優化設計是一種尋找最優設計方案的技術［2］，優化問題的數學模型是實際優化設計問題的數學抽象［3］:

利用可行域的概念，可將模型進一步簡練的表達求x使:

式(4)中:R是同時滿足hk(x)=0和gi(x)≤0的設計的點集合。F(x)為優化結果。

1.2 優化設計的一般方法

在結構優化設計中，大致可分為兩類設計方法［2］:

一類優化準則法，它是從一個初始設計xi出發，著眼于在每次迭代中應滿足的優化條件，來得到一個更優的設計xi+1，這種方法無需考慮約束條件，其迭代公式為:

式中:Ci為對角矩陣。

另一類設計方法是數學規劃法，它雖然也是從一個初始設計出發，對結構進行分析，但是按照如下迭代方法得到一個更優的xi+1，其公式為:

式中:Δxi=aidi，ai為步長，沿di方向實現對xi的修改;di為搜索方向，根據幾何概念和數學原理，由目標函數和約束條件的局部信息狀態形成。

2 變速箱空載試驗臺工況分析

常用的在線變速箱空載試驗臺結構如圖1所示，電機1通過聯軸器2與驅動軸3直接相連，驅動軸固定在軸承座4上，被測試工件6固定在托盤7上，托盤所在的一小節活動線體8通過直線導軌9直接固定在底座上。試驗臺工作時電機轉速變化范圍1 500～2 300 r/min，因此試驗臺需要具有良好的靜、動態特性。

圖1 變速箱空載試驗臺示意圖

試驗臺底座工作過程中主要承受夾具、電機座、電機、傳動模塊及工件的重力。由于是空載，試驗臺工件測試時所需扭矩與電機輸出扭矩均較小，可忽略不計。

3 試驗臺底座靜態分析與模態分析

首先建立試驗臺底座的三維模型，然后在ANSYS中進行模態分析，便可得到分析結果。

分析主要流程如下:

(1)進行材料定義。底座使用的材料為普通碳鋼Q235-A，許用最大應力235 MPa。其材料特性定義為:彈性模量E=2.12×1011MPa，泊松比μ=0.288，質量密度ρ=7 860 kg/m3。

(2)添加約束，底座通過地腳與地面接觸，故應添加地面的平面約束。

(3)進行網格劃分，然后分析結果。圖2為靜態分析應力云圖，表1為底座的前4階固有頻率。

圖2 底座應力云圖

表1 底座前4階固有頻率 Hz

試驗臺工作時電機轉速為1 500～2 300 r/min，故激振力的頻率為25～38.3 Hz。這一頻率段處于底座的2階固有頻率與3階固有頻率之間，滿足設計要求。由圖3可以看出:底座的最大應力為1.58 MPa，遠小于許用應力235 MPa。

圖3 上平板結構優化應力云圖

4 底座的優化設計

通過底座應力云圖可以看出:底座最大應力很小，而且在結構上存在冗余;橫梁位置幾乎沒有應力;2、3階固有頻率與工作頻率接近。以下主要從3個方向進行優化:

(1)盡量減少上平板的材料。

(2)在豎直方向上減小橫梁的尺寸。

(3)增加、減少約束或改變約束類型以提高底座的抗震性能。

在優化設計的過程中，存在優化的約束條件，即不改變底座的主要外形尺寸。

4.1 減少底座上平板材料的優化設計

通過靜力分析可以看出:底座上平面板部分區域受應力極小，可適當進行優化，但由于是在線設備，底座的主要尺寸及與其他部件連接處尺寸不能改變。圖3所示為上平板優化后的底座結構。通過ANSYS分析得出其各階固有頻率及最大應力，分析結果如表2所示。

表2 上平板結構優化分析表 Hz

從分析結果中可以得出:優化后的底座最大應力為1.95 MPa，略有提高但仍遠小于許用應力;其前4階固有頻率稍有提高但變化很小，并且優化后的各階固有頻率能夠避開試驗臺的工作頻率段，符合設計要求。

4.2 對橫梁的優化

從圖3可以看出:橫梁所受應力及變形仍然很小，可對其進行優化。但考慮到設備的美觀，可以在豎直方向上減小橫梁的高度，原橫梁選用的是200 mm×100 mm的冷彎矩形空心鋼，豎直方向高度為200 mm。下面分別選取180 mm×100 mm，150 mm× 100 mm，100 mm×100 mm，采用同樣的方法進行分析。

從表3中可以看出:降低橫梁豎直方向高度對各階頻率的影響較小，符合試驗臺底座對各階固有頻率的要求，隨著橫梁高度的減小最大應力有所增大，但仍遠遠小于許用應力。

表3 不同型號橫梁分析結果表

4.3 地腳約束類型的優化

在工程中常用的地腳有兩種:一種是固定式地腳，即底座通過地腳完全固定在地面上，地腳與地面間采用螺釘連接或焊接;另一種是浮動式地腳，即地面與地腳間只是接觸而不存在螺釘或焊接。原底座為了移動方便采用的是浮動式地腳。在優化設計過程中分析了兩種地腳對底座固有頻率的影響，如表4所示。

表4 地腳約束優化分析表

從表4中可以很明確地看出:改變地腳約束類型對試驗臺底座的固有頻率影響較大，增加約束能夠很大程度上提高底座的固有頻率;且改變地腳約束類型后，底座的各階固有頻率遠高于試驗臺工作頻率范圍25～38.3 Hz，提高了底座的抗震性能。

5 優化設計結果

通過以上3步減少了底座的材料用量，由原來的563 kg減少到417 kg，節約了146 kg。將原來底座的前4階固有頻率均提高到350 Hz以上，遠離了試驗臺的工作頻率，極大地提高了試驗臺的抗震性能。底座優化設計的最終結果如圖4所示。

圖4 底座優化設計最終結果

6 總結

利用有限元分析軟件ANSYS對試驗臺底座進行了分析，獲得其應力分布圖及前4階固有頻率，找出了原設計的不足之處，為底座的優化設計提供了理論依據。對結構進行優化后，使用材料減少了25.9%;改變底座與地面的連接類型并增加了約束，明顯地提高了底座的固有頻率，使其前4階固有頻率均大于350 Hz，遠離試驗臺的工作頻率。同時底座的最大應力由原來的1.58 MPa增加到了2.87 MPa，但仍遠小于許用應力235 MPa。將優化后的底座應用于某變速器公司在線變速箱空載試驗臺中，試驗臺自2012年底投入使用以來工作可靠，性能穩定。

【1】王文輝，謝峰.基于有限元分析的試驗臺底座優化設計［J］.機械，2011，38(2):41－45.

【2】孫靖民，米成秋.機械結構優化設計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2004:21－22.

【3】陳建能，張翔.機械優化設計［M］.北京:科學出版社，2012:16－17.

【4】董立立，趙益萍，梁林泉，等.機械優化設計理論方法研究綜述［J］.機床與液壓，2010，38(15):114－119.

【5】芮執元，商益存.基于ANSYS的鋁錠堆垛機動態性能分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2008(4):27－29.

【6】付保榮，夏煥錦，梅映新，等.基于Pro/Mechanica的應急柴油機水泵機組底座模態分析［J］.機械制造與自動化，2012，41(6):151－153.

【7】王興宇，蘇建，劉玉梅，等.基于Cosmosworks的轉向架剛度試驗臺優化設計分析［J］.電力機車與城軌車輛，2009，32(3):34－36.

【8】于保敏，趙偉閣.底座結構的有限元分析及其優化設計［J］.機械，2007，34(10):18－20.

【9】王力，田晟，喻惠然.基于Optistruct的整車試驗臺架結構優化設計［J］.汽車技術，2012(11):46－49.

Optimal Design for the Base of Test-bed Based on ANSYS

LIN Juguang，HU Kaijiang
(School of Mechanical and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230009，China)

No-load shift box test-bed is one kind of the most commonly used test-bed in shift box manufacturing companies.The base has an important influence on the test-bed.The theoretical basis of the optimal design was introduced briefly.Based on the structure of the original base of test-bed，the direction for the optimal design was found out by analyzing its static and dynamic performances with ANSYS.Material was saved by changing the structure of the base and the seismic performance was improved by changing the constrained type of the base.At last，the performance of the optimized base was compared with the original one.

No-load shift box test-bed;Bed structure;Optimal design;FEM analysis

TH122

A

1001－3881(2014)8－003－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.002

2013－03－28

國家重點新產品計劃項目 (2012GRC30002);國家火炬計劃項目(2011GH041242)

林巨廣 (1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事汽車自動化裝備、汽車試驗臺等方面研究。E－mail:linjuguang@jee.com.cn。