上海理工大学机械工程学院肛交 小说，上海

收稿日历：2022年10月19日；请托日历：2022年11月7日；发布日历：2022年11月18日

摘录

著作以某变速器拨叉为连络对象，率先摄取UG对连络对象进行三维建模，再凭据设定的工况哄骗ANSYS进行有限元分析，哄骗拓扑优化得到效果，再设想出新的结构，对新的结构进行再一步有限元分析，分析考证通事后完成对模子结构的优化。

关键词

拨叉，有限元分析，拓扑优化，ANSYS

Finite Element Analysis and Topology Optimization of Fork Based on ANSYS

Jun Nan

School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai

Received: Oct. 19th， 2022; accepted: Nov. 7th， 2022; published: Nov. 18th， 2022

ABSTRACT

Based on a certain transmission fork as the research object， the first of the research object by UG three-dimensional modeling， and then based on the condition of setting by ANSYS finite element analysis， using the topology optimization results， and design a new structure， step by finite element analysis was carried out on the new structure， after complete the optimization of model structure and verified.

Keywords:Fork， Finite Element Analysis， Topology Optimization， ANSYS

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 序文

汽车的变速器是汽车用来调动发动机转速和汽车本体行驶速率的进犯变速安装。它可让汽车结束在行驶历程中肛交 小说，让发动机和车轮产生不同的变速比。拨叉应用于车辆变速箱的换挡机构中。作为变速器的进犯部件，拨叉不仅要有宽裕的刚度、强度，还要有邃密的可靠性 [1]。拨叉是结束变速箱换挡的进犯零件，若是是机床上的拨叉是用于变速的，主要用在主宰机构中即是把两个咬合的齿轮拨开来再把其中一个不错在轴上滑动的齿轮拨到另外一个齿轮上以取得另一个速率，即调动车床滑移齿轮的位置，结束变速。通过换挡不错让发动机责任在驾驶者需要的速率并保捏最好的能源性能。咱们常常说的汽车三大件就包括汽车的变速箱。

拓扑优化是在给定的空间内优化材料的布局及结构的历程。方针是通过对设想规模内的外力、荷载要求、领域要求、敛迹以及材料属性等要素进行数学建模和优化，从而能最大戒指的援助零件的性能。一些大型结构如飞机、汽车中的复杂部件的设想问题，只是依靠传统的设想训戒以及模拟磨练的优化行径已很难胜任，而拓扑优化行径的应用能更好的管理这些坚苦，尤其在结构减重方面，因此汽车结构轻量化设想是今后汽车技艺发展的前沿和热门，亦然管理汽车节能和环保的灵验妙技之一 [2]。ANSYA的拓扑优化一般门径为界说拓扑结构问题、选拔单位类型、指定优化区域和不优化区域、界说载荷工况和历程戒指、进行优化计算取得优化效果 [3]。

2. 有限元模子的援助与分析

本文哄骗UG援助了拨叉的三维模子，凭据援助的三维模子和加载敛迹要求，对拨叉作念静力学分析，需要添加目田度敛迹和力载荷。变速器拨叉的材料选择45#钢，屈服强度为355 MPa，抗拉强度为600 MPa，弹性模量为E = 206 Gpa，泊松比为0.3，对三维模子进行网格辞别，摄取目田网格辞别，网格大小为1 mm。由于拨叉一端绕轴旋转；拨叉两侧往返与齿轮面斗争受力，是以在有限元软件中摄取孔固定敛迹，拨叉叉爪两侧所承受的最大载荷为2 KN，加载与拨叉爪两侧面上，所在为侧面的垂直所在 [4]。

拨叉的叉爪在责任时单侧受力，当变速器低挡换高级时，拨叉前推，前侧面受力，这里定为情况A，当变速器高挡换低档时，拨叉后拉，后侧面受力，这里定为情况B。因为拨叉前后并分歧称，不可动作对称模子看待，是以分析两个不同的工况十分有必要。

凭据援助的有限元模子和加载敛迹要求，咱们对拨叉作念静力学分析，得到拨叉的振型图和应力云图。在Ansys workbench的Static Structural模块中进行结构静力学分析，在不商量与时代有关的物理量，忽略惯性力和阻尼的情况下，静力学分析的有限元方程可写成：

[ K ] { x } = { F } (1)

其中： [ K ] 为刚度矩阵， { x } 为位移矢量， { F } 为载荷矢量。若 [ K ] 为定值，此时材料结构变形小且为线弹性，求解的是线性静力问题，反之为非线性静力问题，为求解上述有限元方程，在进行本体工程问题分析时，需要商量几何模子的尺寸、材料属性、敛迹要求以及所施加的载荷 [5]。

工程中使用的机械零件在外部载荷较大时容易发生结构失效，一般包括零件的变形、磨损、断裂等。为幸免结构失效的发生，在零件设想时须概括商量各个性能，常摄取应力分析的行径应力应变和位移，一般不错借助有限元分析软件。范式等效应力是指将三个主应力示意为一个等效的碰劲应力，其不祥的含义是当单位体的格式调动比能达到一定进度，材料运转屈服。Von Mises应力是基于剪切应变能的一种等效应力值。其值是：

σ e = ( σ 1 − σ 2 ) 2 + ( σ 2 − σ 3 ) 2 + ( σ 3 − σ 1 ) 2 2 (2)

其中： σ 1 、 σ 2 、 σ 3 分别为第一、第二和第三主应力。von mises stress它用应力等值线来示意模子里面的应力散布情况，它不错显着描摹出一种效果在所有这个词模子中的变化，从而使分析东说念主员不错快速的详情模子中的最危机区域。等效应力 σ e (Equivalent von-Mises)常常在格式调动比能原则中瞻望材料的屈服强度，而位移和应变则描摹材料的变格式态。

工程中对与静强度分析来讲强度设想准则主要有断裂准则、屈服准则和莫尔准则，其中断裂准则主要包括无裂纹体的断裂准则和带裂纹体的断裂准则也即是最大拉应力准则和线性断裂力学准则。屈服准则主要包括最大剪应力准则和格式调动比能准则。莫尔准则适用于抗拉强度不荒谬的材料。当零件的格式变形到一定进度，材料就会失效，材料的失效判据为 σ e = σ s ，因此咱们的设想准则为 σ e ≤ [ σ ] 。图1为拨叉的三维模子图。

图1. 拨叉三维模子

凭据图2和图3，设想工况下拨叉的最大应力发生在拨叉孔和叉爪流畅处，值为287.68 Mpa，远小于拨叉材料的强度极限；最大弹性变形发生在叉爪顶端处，位移值为888 μm，对拨叉使用的影响较小，说明拨叉在该工况下能够闲居运行。

图2. 工况A拨叉应力云图

图3. 工况A拨叉变形云图

凭据图4和图5，设想工况下拨叉的最大应力发生在拨叉孔和叉爪流畅处，值为287.32 Mpa，远小于拨叉材料的强度极限；最大弹性变形发生在叉爪顶端处，位移值为887 μm，对拨叉使用的影响较小，说明拨叉在该工况下能够闲居运行。

图4. 工况B拨叉应力云图

图5. 工况B拨叉变形云图

3. 优化结构与分析考证

本次优化历程中的经营函数是优化区域的体积最小，而优化的区域则为拨叉主体，因敛迹为拨叉应力不大于355 MPa。运行优化轨范，表露优化效果。本次经营函数的优化共阅历了12次迭代，在workerbench中得到的拓扑优化剩余部分如图6所示对拨叉进行十二次迭代拓扑优化得到拓扑后的保留区域。

图6. 拓扑优化保留区域

校正后拨叉再行建模后保留区域为70%校正后的模子应力散布云图和变形云图如图所示。

凭据图7和图8，设想工况下拨叉的最大应力发生在拨叉孔和叉爪流畅处，值为269.35 Mpa，远小于拨叉材料的强度极限；最大弹性变形发生在叉爪顶端处，位移值为828 μm，对拨叉使用的影响较小，说明拨叉在该工况下能够闲居运行。

凭据图9和图10，设想工况下拨叉的最大应力发生在拨叉孔和叉爪流畅处，值为279.54 Mpa，远小于拨叉材料的强度极限；最大弹性变形发生在叉爪顶端处，位移值为877 μm，对拨叉使用的影响较小，说明拨叉在该工况下能够闲居运行。

图7. 优化后工况A拨叉应力云图

图8. 优化后工况A拨叉变形云图

图9. 优化后工况B拨叉应力云图

图10. 优化后工况B拨叉变形云图

表1为拓扑优化前后的应力和位移对比，凭据表格可知拓扑优化再行建模后新拨叉结构最大应力279.54 Mpa，最大位移0.87676 mm，最大应力小于拨叉材料的屈服强度355 Mpa。经过十二次的迭代最终体积减小了30%摆布，最大变形和最大应力变化不大，兴隆了强度、刚度性能的要求，达到了结构轻量化设想的方针。

表1. 优化前后对比

4. 讲究

本文哄骗了ANSYS对拨叉进行分析得到了应力和位移散布云图，效果表明拨叉强度存在富余，然后在静强度下对拨叉进行了拓扑优化，凭据应力仿真得出论断为，拓扑优化后的模子仍旧兴隆小于材料屈服极限的要求，并减小了体积，兴隆拨叉的使用要求。关于汽车来说，发展的趋势向着轻量化发展，汽车零部件的发展也应向轻量化荟萃，本文对拨叉的拓扑优化设想可为拨叉结构的轻量化设想提供参考。

著作援用

南郡. 基于ANSYS的拨叉的有限元分析及拓扑优化Finite Element Analysis and Topology Optimization of Fork Based on ANSYS[J]. 建模与仿真， 2022， 11(06): 1532-1538. https://doi.org/10.12677/MOS.2022.116144

参考文件肛交 小说