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三輪摩托車是農業(yè)生產和運輸?shù)闹饕ぞ撸胼S是其傳遞動力的關鍵零部件，在使用過程中半軸發(fā)生斷裂，不僅危害用戶的人身安全，嚴重影響用戶的經濟效益，同時也對生產廠家的聲譽產生了惡劣的影響。受某三輪摩托車公司委托，對其生產的某型號三輪摩托車發(fā)生的半軸斷裂破壞現(xiàn)象進行有限元分析，并利用結構優(yōu)化的方法分析半軸結構，提出解決方案。
半軸是在差速器與驅動輪之間傳遞動力的實心軸，是傳動系中傳遞扭矩的一個重要零件。從差速器傳來的扭矩經過半軸、輪毅等，最終傳遞給車輪。半軸分為半浮式、全浮式和3/4浮式三種，所謂“浮”是指卸除半軸的彎曲載荷而言，其中半浮式和全浮式兩種型式應用得較為廣泛。半浮式半軸除傳遞扭矩外，還要承受垂直力、側向力及縱向力所作用的彎矩；全浮式半軸只傳遞扭矩，其它的力和力矩由橋殼來承受。本文分析的半軸屬于全浮半軸形式，實物如圖所示。大多數(shù)半軸生產廠進行半軸法蘭鍛造時，大都采用臥式擺輾工藝。半軸臥式擺輾工藝的特點：比校平鍛機操作簡便，能耗低，易維修。
該三輪摩托車半軸在法蘭和軸的連接處發(fā)生橫向斷裂，據(jù)調查，該斷裂現(xiàn)象在半軸損壞的各種形式中占比很大。圖為半軸斷口的形式，初步分析判斷是該處應力集中，超過材料的許用應力而產生裂紋，隨著裂紋的不斷擴展，最后發(fā)生斷裂。接下來通過有限元靜扭強度分析，計算該處的應力水平。
利用HyperMesh對CAD三維幾何模型進行有限元模型的建立。整體采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，以提高計算精度。法蘭盤的螺栓孔用REB2單元進行連接。有限元模型如圖所示。
計算中所使用的材料參數(shù)如表所示，取安全系數(shù)為2，計算得到許用扭轉應力為392.SMPa。約束法蘭盤螺栓孔中心節(jié)點的6個自由度；在半軸另一端花鍵部位模擬實際中的花鍵配合，在內、外花鍵之間設置面接觸，在外花鍵端部施加扭矩。全浮式半軸只承受扭矩的作用，關于半軸所承受最大扭矩值，應是發(fā)動機的最大輸出扭矩與輪胎路面附著力所產生扭矩值兩個之中小者。
優(yōu)化分析模型一般是由目標函數(shù)、約束條件、優(yōu)化設計變量三個方面組成，借助HyperWorks里的OptiStruct模塊可以很方便地實現(xiàn)對半軸的優(yōu)化設計。形狀優(yōu)化技術通過將網(wǎng)格節(jié)點移動或者變形到某個新的位置，相當于改變零部件的CAD設計，從而提高零部件的性能，如提高剛度、模態(tài)，減低應力集中等。形狀優(yōu)化具有一類特殊的變量—形狀變量，形狀變量是結構有限元模型中被選擇的一組節(jié)點，這組節(jié)點具有規(guī)定的運動方向和運動規(guī)律，形狀優(yōu)化通過這組節(jié)點的運動來達到改變結構形狀的目的。使用形狀優(yōu)化方法時應該注意以下兩點問題：(1)保持原有的結構形狀特征。必須對節(jié)點運動進行正確和完整的定義，以使在形狀優(yōu)化中結構形狀修改后仍保持原有的形狀特征。(2)保證較高的單元質量。形狀優(yōu)化中節(jié)點的移動將引起相關單元的形狀發(fā)生變化。如果節(jié)點移動量太大，單元就難以保持原有的質量而出現(xiàn)畸形單元，從而造成有限元計算無法進行而終止迭代。為減少因節(jié)點移動而造成的單元變形，可選擇適當?shù)膬炔抗?jié)點一起運動，以使結構形狀改變由更多的單元變形來分擔，從而避免部分單元變形太大。
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