基于ANSYS的拨叉的有限元分析及拓扑优化

文章以某变速器拨叉为研究对象，首先采用UG对研究对象进行三维建模，再根据设定的工况利用ANSYS进行有限元分析，利用拓扑优化得到结果，再设计出新的结构，对新的结构进行再一步有限元分析，分析验证通过后完成对模型结构的优化。

汽车的变速器是汽车用来改变发动机转速和汽车实际行驶速度的重要变速装置。它可让汽车实现在行驶过程中，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。作为变速器的重要部件，拨叉不仅要有足够的刚度、强度，还要有良好的可靠性[1]。拨叉是实现变速箱换挡的重要零件，如果是机床上的拨叉是用于变速的，主要用在操纵机构中就是把两个咬合的齿轮拨开来再把其中一个可以在轴上滑动的齿轮拨到另外一个齿轮上以获得另一个速度，即改变车床滑移齿轮的位置，实现变速。通过换挡可以让发动机工作在驾驶者需要的速度并保持最佳的动力性能。我们通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过程。目的是通过对设计范围内的外力、荷载条件、边界条件、约束以及材料属性等因素进行数学建模和优化，从而能最大限度的提高零件的性能。

一些大型结构如飞机、汽车中的复杂部件的设计问题，仅仅依靠传统的设计经验以及模拟试验的优化方法已很难胜任，而拓扑优化方法的应用能更好的解决这些难题，尤其在结构减重方面，因此汽车结构轻量化设计是今后汽车技术发展的前沿和热点，也是解决汽车节能和环保的有效手段之一[2]。ANSYA 的拓扑优化一般步骤为定义拓扑结构问题、选择单元类型、指定优化区域和不优化区域、定义载荷工况和过程控制、进行优化计算获得优化结果[3]。

2. 有限元模型的建立与分析 本文利用UG 建立了拨叉的三维模型， 根据建立的三维模型和加载约束条件， 对拨叉做静力学分析， 需要添加自由度约束和力载荷。

变速器拨叉的材料选用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， 对三维模型进行网格划分， 采用自由网格划分， 网格大小为1 mm。

由于拨叉一端绕轴旋转；拨叉两侧往复与齿轮面接触受力，所以在有限元软件中采用孔固定约束，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，方向为侧面的垂直方向[4]。

拨叉的叉爪在工作时单侧受力， 当变速器低挡换高档时， 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。因为拨叉前后并不对称，不能当作对称模型看待，所以分析两个不同的工况十分有必要。

根据建立的有限元模型和加载约束条件， 我们对拨叉做静力学分析， 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， 在不考虑与时间相关的物理量， 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： [ ]{ }{ }KxF= (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，在进行实际工程问题分析时，需要考虑几何模型的尺寸、材料属性、约束条件以及所施加的载荷[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。

为避免结构失效的发生，在零件设计时须综合考虑各个性能，常采用应力分析的方法应力应变和位移， 一般可以借助有限元分析软件。范式等效应力是指将三个主应力表示为一个等效的正值应力，其大概的