多工况分析下汽车驱动桥壳轻量化设计

为了解决在汽车驱动桥壳的设计过程中满足刚度和强度要求的情况下，出现质量冗余的问题。通过静动态特性分析确定了驱动桥壳最大载荷下的工况，采用拉丁超立方体抽样法抽取样本点进行试验设计，根据试验设计结果构建响应面并得到目标函数的Kriging代理模型。在满足各项静动态性能指标的条件下，以桥壳的质量最小为优化目标，采用多目标优化算法对该代理模型进行寻优。优化后驱动桥壳质量减小了11.1%，并且各项静动态性能指标依然符合设计要求。

由于驱动桥壳是汽车上较为重要的承载部件之一，许多设计者通常在设计的过程中会用质量冗余来保证其性能。然而，驱动桥壳的质量在汽车的比重较大，所以实现驱动桥壳的轻量化设计对减少汽车的用材消耗具有重要的意义[1] [2]。

国内外学者对汽车驱动桥壳的轻量化设计有一定的研究。丁文敏[3]对汽车驱动桥壳进行了静力学强度和模态性能分析，并直接采用改变驱动桥壳结构法对驱动桥壳进行优化，提高了其整体性能；吕国坤等[4]对某款乘用车的驱动桥壳进行了静力学分析以及静力学下的疲劳分析，并采用直接添加结构法和响应面法进行优化，最终提高了其静态性能并实现了轻量化；刘为等[5]对某驱动桥壳在最大垂向力工况下进行了静力学分析以及疲劳寿命计算，并进行了模态分析，最后采用多目标驱动的优化方法对驱动桥壳进行了轻量化优化，并取得了一定的优化效果；俞云云等[6]对某重型自卸车驱动桥壳进行了基于有限元的静态研究，并基于响应面优化法使用多目标驱动的方法对其进行了多目标优化，在一定程度上实现了轻量化。以上分析都对驱动桥壳做了一定的分析及优化，但是对于驱动桥壳多工况下综合分析，以及动态特性方面的研究不够深入。

本文通过建立汽车的驱动桥壳的三维模型，对其进行4 种常见的工况下的静动态特性分析。基于分析结果，选取设计变量并确定优化目标，进行灵敏度分析，建立响应面并得到Kriging 代理模型，采用多目标遗传算法对该模型进行寻优，最终实现在依然满足静动态性能的条件下，实现驱动桥壳的轻量化设计。

2. 驱动桥壳模型参数 Table 1. Main parameters of the drive axle housing 表1. 驱动桥壳主要参数 参数 数值 桥壳额定载重/kg 802 最大扭矩/N·m 586 桥壳质量/kg 20.5 后轮距/mm 1202 板簧距/mm 670 后轮滚动半径/mm 317 桥壳厚度/mm 5