三轮摩托车是农业生产和运输的主要工具，半轴是其传递动力的关键零部件，在使用过程中半轴发生断裂，不仅危害用户的人身安全，严重影响用户的经济效益，同时也对生产厂家的声誉产生了恶劣的影响。受某三轮摩托车公司委托，对其生产的某型号三轮摩托车发生的半轴断裂破坏现象进行有限元分析，并利用结构优化的方法分析半轴结构，提出解决方案。
      半轴是在差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴，是传动系中传递扭矩的一个重要零件。从差速器传来的扭矩经过半轴、轮毅等，最终传递给车轮。半轴分为半浮式、全浮式和3/4浮式三种，所谓“浮”是指卸除半轴的弯曲载荷而言，其中半浮式和全浮式两种型式应用得较为广泛。半浮式半轴除传递扭矩外，还要承受垂直力、侧向力及纵向力所作用的弯矩；全浮式半轴只传递扭矩，其它的力和力矩由桥壳来承受。本文分析的半轴属于全浮半轴形式，实物如图所示。大多数半轴生产厂进行半轴法兰锻造时，大都采用卧式摆辗工艺。半轴卧式摆辗工艺的特点：比校平锻机操作简便，能耗低，易维修。   
      该三轮摩托车半轴在法兰和轴的连接处发生横向断裂，据调查，该断裂现象在半轴损坏的各种形式中占比很大。图为半轴断口的形式，初步分析判断是该处应力集中，超过材料的许用应力而产生裂纹，随着裂纹的不断扩展，最后发生断裂。接下来通过有限元静扭强度分析，计算该处的应力水平。
      利用HyperMesh对CAD三维几何模型进行有限元模型的建立。整体采用六面体单元进行网格划分，以提高计算精度。法兰盘的螺栓孔用REB2单元进行连接。有限元模型如图所示。   
      计算中所使用的材料参数如表所示，取安全系数为2，计算得到许用扭转应力为392.SMPa。约束法兰盘螺栓孔中心节点的6个自由度；在半轴另一端花键部位模拟实际中的花键配合，在内、外花键之间设置面接触，在外花键端部施加扭矩。全浮式半轴只承受扭矩的作用，关于半轴所承受最大扭矩值，应是发动机的最大输出扭矩与轮胎路面附着力所产生扭矩值两个之中小者。
      优化分析模型一般是由目标函数、约束条件、优化设计变量三个方面组成，借助HyperWorks里的OptiStruct模块可以很方便地实现对半轴的优化设计。形状优化技术通过将网格节点移动或者变形到某个新的位置，相当于改变零部件的CAD设计，从而提高零部件的性能，如提高刚度、模态，减低应力集中等。形状优化具有一类特殊的变量—形状变量，形状变量是结构有限元模型中被选择的一组节点，这组节点具有规定的运动方向和运动规律，形状优化通过这组节点的运动来达到改变结构形状的目的。使用形状优化方法时应该注意以下两点问题：(1)保持原有的结构形状特征。必须对节点运动进行正确和完整的定义，以使在形状优化中结构形状修改后仍保持原有的形状特征。(2)保证较高的单元质量。形状优化中节点的移动将引起相关单元的形状发生变化。如果节点移动量太大，单元就难以保持原有的质量而出现畸形单元，从而造成有限元计算无法进行而终止迭代。为减少因节点移动而造成的单元变形，可选择适当的内部节点一起运动，以使结构形状改变由更多的单元变形来分担，从而避免部分单元变形太大。

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