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三輪摩托車是農業生產和運輸的主要工具，半軸是其傳遞動力的關鍵零部件，在使用過程中半軸發生斷裂，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生的半軸斷裂破壞現象進行有限元分析，并利用結構優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生橫向斷裂，據調查，該斷裂現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如表所示，取安全系數為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。
優化分析模型一般是由目標函數、約束條件、優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對半軸的優化設計。形狀優化技術通過將網格節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，減低應力集中等。形狀優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點，這組節點具有規定的運動方向和運動規律，形狀優化通過這組節點的運動來達到改變結構形狀的目的。使用形狀優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。必須對節點運動進行正確和完整的定義，以使在形狀優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。形狀優化中節點的移動將引起相關單元的形狀發生變化。如果節點移動量太大，單元就難以保持原有的質量而出現畸形單元，從而造成有限元計算無法進行而終止迭代。為減少因節點移動而造成的單元變形，可選擇適當的內部節點一起運動，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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