基于新能源汽车驻车机构（棘爪）拓扑优化的构想

写在前面的话

驻车机构是防止车辆滑行的一种安全装置，它安装于汽车变速器内部，通过停车时锁死变速器内部齿轮，防止汽车出现滑行、溜坡等情况。借本次altair举办的拓扑优化设计大赛，开始学习optistruct求解器相关功能，并以一款简单的驻车机构模型为例，进行topo优化，了解到了Optistruct功能的强大，意识到拓扑优化对结构先期设计的重要性，拓扑优化为结构概念设计初期提供了设计方向，使设计出来的零部件满足强度、刚度等要求。

图1. 汽车驻车工况驻车棘爪示意图

驻车机构工作原理说明：

图2. 驻车机构简图

驻车机构工作时，驻车执行机构驱动工作销下压棘爪，克服回位弹簧预紧力，直至某一时刻棘爪完全锁进P挡锁止齿轮且不再弹出，则实现驻车，驻车一般分为平路驻车、上坡驻车与下坡驻车三种工况。

有限元模型建立

根据驻车机构的工作原理，对驻车机构进行分析时需要考虑上坡和下坡两种工况。不同工况下，驻车棘爪和驻车锁止齿轮的接触面不同，棘爪的受力大小与方向也不同，但分析方法一致。考虑到本人计算机硬件配置较低，所以本文仅以上坡驻车工况为例做计算说明，下坡驻车工况分析方法一致。本次分析对真实的驻车机构进行了适当的简化，仅保留了驻车锁止齿轮、驻车棘爪与支撑滚轮，如图3所示。

图3.驻车机构FE模型

本次分析所用网格为六面体网格，优化对象为驻车棘爪，因此对棘爪进行了设计区与非设计区的划分（紫色区为设计区，黄色去为非设计区），优化目标为在满足强度与变形量要求前提下，实现设计区域体积最小，即质量最轻。

材料&属性

材料	弹性模量E [MPa]	泊松比u [-]	密度 [g/mm3]	屈服强度 [MPa]	抗拉强度 [MPa]
20CrMnTi	2.1E5	0.3	7.9E-9	835	1080

 

接触对的创建

在驻车齿轮与驻车棘爪、棘爪与支撑滚轮之间建立接触关系，接触面离散方式为S2S，接触面间默认为小滑移。

图4.接触设置

载荷工况

1、在驻车齿轮中心建立RBE2并约束五个自由度（仅放开旋转方向自由度），棘爪约束方式与此类似，支撑滚轮两端六个自由度全约束；

2、在驻车齿轮中心加3000Nm的极限驻车扭矩。

求解

在拓扑优化之前，先进行一次静强度分析，了解零部件的大致情况，结果如下：

零部件	最大变形量um（disp）	最大应力MPa （stress）
棘爪	482	802

 

图5.变形量与应力结果

最大应力为802MPa，棘爪的评价指标为在驻车工况下不超过材料抗拉极限即可，最大变形量为482um，默认不超过500um即可。

拓扑优化

1、设计变量desvar：体积最小化，在props中选择前面所创建的棘爪设计区域；

2、响应：1)、体积分数，即为后面的优化目标

     2)、棘爪与驻车齿轮接触位置最大位移：≤500um

    3)、棘爪最大应力：≤1080MPa

上述2) , 3)当做拓扑优化的设计约束

 

此时模型树中定义的响应如下：

3、定义设计约束

 

创建设计约束，response选择步骤2中应力与位移设计约束，上限值按步骤2给定；

4、定义目标：使得响应vol（体积）最小。即使得体积分数最小，从而体积最小，质量最轻。

5、进行拓扑优化

6、查看拓扑优化结果

本次分析共迭代了40次，前39次均为中间过程，因此只查看最后一步结果：

附：拓扑迭代过程云图：

ISO（等值图） = 0.3以上的密度分布云图

 

利用Ossmooth对拓扑优化后的结构进行几何生成，Ossmooth面板如下：

生成的几何如下：

后续即可导出该几何并结合ISO等值图对概念设计模型进行几何重构，并再次验证其性能。

几何重构模型如下：

对优化后几何重构的几何进行再次分析，其应力与变形量分析结果如下表所列：

零部件	最大变形量um（disp）	最大应力MPa （stress）
棘爪	469	877

应力与位移云图如下：

注：本次所取最大应力点为棘爪上圆弧过渡处最大应力，并非接触面上的最大应力，接触面上的最大应力为赫兹应力，一般对接触面上的应力不评价。

优化前后质量对比：

零件	优化前棘爪质量	优化后棘爪质量	减重比
质量	0.808kg	0.584kg	27.1%

结论：

通过本次拓扑优化分析，棘爪质量由0.808kg减小至0.584kg，优化后较优化前减重27%，且优化后最大应力与最大位移均满足既定要求，本次拓扑优化视为合格。

心得

通过本次拓扑优化，学习了Optistruct求解器接触的基本用法，同时对接触力学的三种非线性知识有了一定的了解。掌握了拓扑优化的基本用法，能利用该方法解决工程中的一些实际问题，指导结构设计，本次虽为第一次使用Optistruct求解器，但从本次的拓扑优化中，收获颇多，在今后的工作中，也会使用该软件对结构进行优化设计，减轻工作量的同时，也能达到减重降本的目的。

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