文献翻译-后轮轴汽车驱动桥壳拓扑优化和多目标优化

3.0 闻远设计 2024-08-27 78 4 16.14MB 52 页 50光币

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后轮轴汽车驱动桥壳拓扑优化和多目标优化

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后轮轴汽车驱动桥壳拓扑优化和多目标优化

摘要：

驱动桥壳作为卡车的重要承载部件之一，必须满足刚度和强度要求。传统的设计方法采用冗余设计来满足性能要

求。采用三维数学模型和有限元模型联合设计，基于拓扑优化和多目标优化实现驱动桥壳的优化设计。首先，对后轮

轴驱动汽车驱动桥壳进行了四种典型工况的静力分析。结果表明，四种工况均在材料的屈服极限下运行，四种工况的

最大等效应力出现在半轴套管的台阶处。在四种工况中，最关键的是最大垂直力工况。然后，基于最大垂直力工况进

行疲劳寿命分析，最小疲劳寿命出现在半轴套管过渡位置和主减速器室圆弧过渡位置。其余部分均能满足设计要求。

在这种工况下运行时，驱动桥壳的整体安全系数主要在 1 到 5 之间。然后，通过模态分析，提取驱动桥壳的一至六阶

固有频率和振动模态。在模态分析的基础上，通过谐响应分析和随机振动分析进一步研究驱动桥壳的动态特性。最后，

给出了驱动桥壳的两种轻量化优化方案。拓扑优化使驱动桥壳的质量减少了 17.4%，但整体性能略有下降。然后，选

择驱动桥壳的五维参数作为设计变量。质量、最大变形、等效应力、使用寿命以及一阶、二阶和三阶固有频率被定义

为目标函数。通过最优空间填充设计方法进行实验设计，获得样本点。在试验设计结果的基础上，将多目标遗传算法

和响应面法结合起来优化目标函数。分析结果表明，质量降低了 4.35%，等效应力降低了 21.05%，最小寿命提高了

72.28%，一阶、二阶和三阶固有频率也有不同程度的提高。为驱动桥壳的设计提供了两种不同的优化策略。

关键词：

驱动桥壳；有限元分析；动态特性；静态特性；疲劳分析；拓扑优化；响应面方法学；多目标优化。

1 引言

卡车的驱动桥壳位于传动系统的末端，是车辆的关键底盘轴承和动力传输部件 1.驱动桥壳主要承

受来自地面的反作用力，以及车架或车身之间的垂直力、纵向力、横向力和制动扭矩 2.它要求驱动桥

壳的强度和刚度满足其指定的服务要求 3.为了实现驱动桥壳的轻量化设计，许多学者基于不同的方法

进行了轻量化设计。以某轻型卡车驱动桥壳为研究对象，选取设计参数、极限应力和位移约束条件为

优化目标，实现了轻量化的目的 4.周兵兵对驱动桥壳进行了动态特性和疲劳分析，并进行了轻量化优

化设计以验证优化后的驱动桥壳 5.陈阳通过对越野车驱动桥壳优化方案的研究，提出了一种基于蒙特

卡罗方法的可靠性分析方法。在此基础上，他们进行了轻量化设计，并将驱动桥壳的重量减轻了

12.48%6.郭忠佳在力学计算的基础上，通过有限元方法对某轻型货车后轮轴壳体进行了优化设计，以

达到轻量化的目的。驱动桥壳的低阶模态固有频率过高 7.对其进行了优化，在质量约束下低阶模态频

率提高了约10 Hz8.许进行了驱动桥壳的六稳健多目标轻量化设计，通过熵权法和 TOPSIS 法研究了驱

动桥壳壁厚对其性能的影响，并结合 RBF 和NSGA-II 算法设计了多目标轻量化驱动桥壳，显著提高了

性能 9.余在静态分析的基础上，对 12 个设计参数进行了 DOE 试验设计，建立了约束优化目标函数，进

行了多目标优化设计，在减轻质量的同时保证了驱动桥壳的性能稳定性 10.为了优化驱动桥壳的空间

结构，徐康在不同工况的限制条件下进行了拓扑优化设计，在减轻重量和降低最大应力的同时使应力

分布更加均匀11.

几位学者对驱动桥壳的动态特性进行了不同程度的研究。王雪梅采用分离法对驱动桥壳的动态特

性进行了分析和优化，在降低质量的同时提高了最低疲劳寿命 12.郑斌在三种不同工况下进行了静动

态特性分析和多目标优化设计，提高了驱动桥壳的综合性能 13.为了研究驱动桥壳的共振特性，李慧

林进行了模态和声响应分析，并确定了驱动桥壳的动态特性 14.刘采用仿真和台架试验相结合的方法

后轮轴汽车驱动桥壳拓扑优化和多目标优化

对驱动桥壳的振动和噪声进行了分析和验证，得出了不同位置振动和噪声的贡献 15.为了研究驱动桥

的NVH 性能，焦东风建立了一套驱动桥壳 NVH 性能分析方法，并对60-65km/h 客车的振动和噪声进行

了分析，验证了方法的有效性 16.已经进行了大量研究来探索驱动桥壳的疲劳寿命。由于驱动桥壳的

疲劳失效寿命无法通过仿真分析或台架试验准确计算，邵怡玟提出了一种基于矿井实际路面条件下动

态应变测量的新的分析方法，并将其与有限元分析相结合来计算疲劳失效寿命，为驱动桥壳仿真提供

了技术支持 17.赵伟研究了车辆系统在随机路面谱下的动态响应和疲劳寿命预测，分析了共振频率范

围内的动态应力和疲劳寿命的大小 18.为了研究驱动桥壳的垂直疲劳，孟庆华提出了一个七自由度动

力学模型来预测动态载荷下的疲劳失效，并在此基础上提出了优化方案 19.尚运用 ABAQUS 软件对汽车

驱动桥壳进行了正弦载荷谱下的动静态特性分析和疲劳分析，得到了失效区位置和寿命分布云图，并

提出了改进方案 20.寿许嵩以旧驱动桥壳为研究对象，进行剩余状态和预测寿命的对比研究，以达到

较高的疲劳预测精度21.为了研究驱动桥壳设计的疲劳寿命不确定性，冼忠宇利用ABAQUS 进行了静强

度分析和疲劳寿命分析，研究了累积损伤和极限安全系数 22.李建民为装载机驱动桥壳建立了动态测

试系统，并计算了驱动桥壳的疲劳寿命。发现疲劳区域与最大静态应力出现的位置不同 23.樊志敏通

过瞬态动力学分析获得驱动桥壳的失效区域，并通过疲劳分析确定驱动桥壳的失效区域。台架试验和

疲劳分析的比较结果是一致的24.刘威葳对驱动桥壳进行了最大垂直力条件下的动静态特性分析和疲

劳寿命分析，提取了疲劳寿命和安全系数，并进一步优化了设计 25.杨志卿利用HyperMesh 软件对驱动

桥的疲劳寿命进行了预测，得到了驱动桥的疲劳寿命分布，并验证了设计的合理性26.高静利用理学

硕士。Patran 对驱动桥进行了有限元分析，并将仿真结果与平台的疲劳试验进行了比较，得出了一致

的结论27.郭对驱动桥进行了模态分析和优化，使驱动桥壳质量减轻了 27.3%28.根据上述学者的研究，

驱动桥壳的主要研究对象是不同工况下的机械特性、动态特性、疲劳损伤寿命和轻量化设计。然而，

由于驱动桥壳受迫振动的不确定性，驱动桥壳的振动是不可预测的。同时，不同的制造商和用户对驱

动桥壳设计有不同的设计要求。为了改进驱动桥壳的特性和设计方案，通过 SolidWorks 软件建立驱动

桥的三维模型。在 ANSYS workbench 中对四种不同工况进行静力分析，得到危险位置和分布。在最大

垂直力工况下进行疲劳寿命分析，得到驱动桥壳在不同位置交变载荷下的疲劳分布。通过动态特性分

析驱动桥壳的振动特性和共振响应频率。通过随机振动分析了驱动桥壳在不平路面下的随机振动特性。

同时，基于力学分析提出了两种优化设计方案，即拓扑优化设计和多目标优化设计。基于拓扑优化和

多目标优化方法，提出了驱动桥壳的两种轻量化设计方案和两种轻量化思路，为驱动桥壳在不同需求

下的轻量化设计提供了参考。

本文安排如下。在剖面中 2

建立了驱动桥壳的有限元模型。给出了四种不同典型工况下驱动桥壳

的受力分析图。部分 3 是典型工况的有限元分析，主要包括最大垂直力工况、最大牵引工况、最大侧

向力工况、最大制动工况和疲劳寿命分析。部分 4 驱动桥壳的动态特性分析。通过模态分析、谐响应

分析和随机振动响应分析研究了驱动桥壳的振动特性。部分 5 驱动桥壳的优化设计是利用拓扑优化和

多目标优化来满足不同的要求。部分 6 是结论。

2.有限元模型设置

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后轮轴汽车驱动桥壳拓扑优化和多目标优化文献翻译题目学生姓名专业班级学号学院指导教师（职称）完成时间后轮轴汽车驱动桥壳拓扑优化和多目标优化1后轮轴汽车驱动桥壳拓扑优化和多目标优化摘要：驱动桥壳作为卡车的重要承载部件之一，必须满足刚度和强度要求。传统的设计方法采用冗余设计来满足性能要求。采用三维数学模型和有限元模型联合设计，基于拓扑优化和多目标优化实现驱动桥壳的优化设计。首先，对后轮轴驱动汽车驱动桥壳进行了四种典型工况的静力分析。结果表明，四种工况均在材料的屈服极限下运行，四种工况的最大等效应力出现在半轴套管的台阶处。在四种工况中，最关键的是最大垂直力工况。然后，基于最大垂直力工况进行疲劳寿命分析...

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