基于kriging近似模型的电驱动桥壳多目标优化.pdf
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1、车辆与动力技术2023年第2 期Vehicle&Power Technology文章编号:10 0 9-46 8 7(2 0 2 3)0 2-0 0 0 1-0 6总第17 0 期基于kriging近似模型的电驱动桥壳多目标优化陈文涛,白恩军(沈阳理工大学汽车与交通学院,110 159 沈阳)摘要:提出了一种基于kriging(克里金)近似模型以快速提高电驱动桥壳多目标优化精度:通过参数相关性分析选出与质量和寿命相关性大的桥壳结构参数作为设计变量,利用拉丁超立方实验设计方法进行采样,构建kriging近似模型基于R值等衡量,验证模型精度针对近似模型随机点验证精度变差问题,采用模型偏差较大区域构
2、建细化点,该方法使得模型精度达到预期基于此模型进行优化,桥壳各性能指标与优化前相对比均有所改善,实现了轻量化的目的.关键词:kriging;近似模型;桥壳;多目标中图分类号:U463.218+.5;U 46 9.7 2Multi-objective Optimization of Electric Drive Axle HousingBased on Kriging Approximation Model文献标识码:ACHEN Wentao,BAI Enjun(School of Automobile and Transportation,Shenyang University of Scie
3、nce and Technology,110159 Shenyang,China)Abstract:A method based on kriging approximation model is proposed to rapidly improve the accuracyof multi-objective optimization for electric drive axle housing.Through parameter correlation analysis,thestructural parameters of the axle housing that have a l
4、arge correlation with the quality and life are selectedas design variables,and then the Latin hypercube experimental design method is used for sampling toconstruct the Kriging approximation model.The accuracy of the model based on R2 value is verified.Tosolve the problem that the verification accura
5、cy of approximate model random points is poor,a region withlarge model deviation is used to construct refinement points,which makes the model accuracy reach theexpectation.Based on this model,each performance index of the axle housing has been improvedcompared with that before optimization,and the p
6、urpose of lightweight has been realized.Key words:kriging;approximate model;axle housing;multi-objective驱动桥壳是安装主减速器、差速器、半轴的场所,同时也是支撑汽车的关键部件,当其承载过大时,容易在危险部位产生裂纹,甚至断裂所以,在设计时要满足强度、刚度和疲劳寿命要求其次,在此基础上,若减轻桥壳质量,可以减少簧下质量以提高汽车舒适性,同时,也能增加续航和降低成本,所以,桥壳轻量化是很有必要的.文献1 对驱动桥壳在最大垂向力、最大牵引力、最大制动力和最大侧向力4种工况进行了有限元分析,得出桥壳
7、的强度和变形情况,然后,以桥壳最小质量为优化目标,强度和变形为约束条件建立数学模型,对桥壳进行优化文献2 对驱动桥壳强度、刚度和疲劳寿命进行有限元分析,并基于桥壳可靠性的前提下,使用多目标优化的方法建立收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 7基金项目:辽宁省教育厅科学技术研究资助项目(LG202022)作者简介:陈文涛(19 8 3),男,研究生,研究方向为车辆结构分析与设计制造2数学模型,对桥壳进行轻量化设计:文献【3基于kriging法构建轻轨独立轮轴桥的近似模型,通过对不同样本点数的近似模型精度衡量值比较,发现随着样本点的增加,模型精度随之提高.文中以电动轻卡驱动桥壳为研究对象,首先对桥
8、壳三维模型进行静态强度、刚度、约束模态和满载冲击工况下疲劳寿命进行有限元分析;基于上述分析结果,以桥壳质量和疲劳寿命为优化目标,以最大静应力、变形和一阶模态频率为约束条件,结合拉丁超立方试验设计方法、kriging近似模型和全局响应面多目标优化算法,对桥壳进行多学科目标驱动的轻量化设计.1建立电驱动桥壳有限元模型使用某企业提供的电驱动桥壳三维模型,并基于此模型构建有限元模型由于桥壳装配体模型较复杂,同时在桥壳上安装有许多附件,其并不对桥壳的强度、刚度和寿命有所影响,所以,为减少建模成本和计算时间,对模型进行简化,简化后模型如图 1 所示.图1有限元模型2电驱动桥壳静动态性能分析2.1静强度性能
9、分析桥壳的4种典型工况为:最大冲击工况;最大牵引力工况;最大制动力工况;最大侧向力工况。这4种工况均为极限工况,通过数值模拟计算可以得知,电驱动桥壳在最大冲击工况下其应力最大4,所以,文中只对最大冲击工况下的电驱动桥壳进行静力学分析本车满载质量为430 0 kg,经计算桥壳受到的总载荷为49 40 9 N.将左侧法兰X、Z轴转动自由度,右侧法兰Y轴的位移和X、Z轴的转动自由度设置为free,约束其他自由度5 在桥壳左右两侧的弹簧座处施加向下的力为2 47 0 5N.有限元求解得到电驱动桥壳等效应力云图和变车辆与动力技术形云图如图2 和图3所示.单位:MPa62.7355.7648.7941.8
10、234.8527.8820.9113.946.9710.001图2 最大冲击工况下应力分布云图单位:mm0.4170.3710.3240.2780.2320.1850.1390.0930.0460.001图3最大冲击工况下变形分布云图由图2 的应力云图知,桥壳在最大冲击载荷作用下的最大应力为6 2.7 34MPa.最大应力出现弹簧座处,弹簧座处桥壳采用的Q235B.为了满足工程安全需要,安全系数取1.5,经对比桥壳满足强度要求由图3的变形云图知,在此工况下的最大变形位置在桥包处,变形量为0.32 45mm.由驱动桥壳台架实验评价指标规定满载工况下所允许的最大变形量为1.5mm/m6,在此工况下
11、驱动桥刚度也是满足要求的.2.2动态性能数值分析桥壳进行模态分析时一般取前6 阶经过仿真模拟计算,得出电驱动桥壳在约束状态下的前六阶固有频率和相应振型,篇幅限制,仅列出第六阶模态云图如图4所示,详细分析结果见表1.单位:mm频率:7 51.44 Hz12.2410.889.5258.1676.8095.4524.0942.7361.3780.0212023年XZZX图4六阶振型云图第2 期陈文涛等:基于kriging近似模型的电驱动桥壳多目标优化3X表1电驱动桥壳模态分析振型结果阶数频率/Hz171.8082168.183385.984410.145429.856751.44由于电驱动桥所受到
12、的激励来源主要是不平地面的激励,其激励频率主要在50 Hz以下7 ,而本车最低固有频率为7 1.8 0 8 Hz,所以,不会发生共振大变形.3冲击载荷下疲劳性能有限元分析驱动桥壳在运动中要承受地面和车身的双重作用,所以,在应力和应变较高的局部位置,容易产生疲劳破坏.一般有限寿命设计在工程上使用帕尔姆格伦-迈因纳线性累积损伤法则计算寿命,其公式可由式(1)表示.D=2岁式中:s为不同的应力水平级数;n;为第i级应力水平的循环数;N,是第i级应力水平的寿命数;D为损伤值,当其等于1时,表明零部件失效.驱动桥壳采用的材料为Q235B,查阅机械工采用上文边界条件,以5Hz的正弦曲线作为振型描述模拟路谱
13、2 ,经数值模拟计算后,电驱动桥壳疲X方向一阶弯曲劳寿命仿真结果如图6 所示.Z方向一阶弯曲单位:次Z方向二阶弯曲1.00E+095.64E+08X方向二阶弯曲3.18E+081.79E+081.01E+08Y方向扭转5.71E+073.22E+07X方向二阶弯曲1.82E+071.02E+075.79E+06由图6 知,在桥壳弹簧座区其疲劳寿命最低,寿命为57 9 万次,图中最小处在QC/T5332020商用车驱动桥总成标准中,其寿命要求高于6 0 万次2 ,文中所设计的桥壳的最低寿命为57 9 万次,满足疲劳性能要求.4月电驱动桥壳优化设计4.1确定设计变量和输出参数由静力学应力、变形云图
14、和桥壳疲劳寿命云图可知,在弹簧座附近应力最大,在桥包附近变形最大、寿命最低,在半轴套管附近变形也相对较大。(1)所以,将以上位置作为设计变量,如图7 和表2 所示选取最大变形P。、最大应力Plo、质量P、一阶模态频率P12、桥壳疲劳寿命Pi3作为输出参数.PP8Min图6 桥壳寿命分布云图程材料性能数据手册找出循环比R=-1的S-ND曲线由于尚未设计,需要通过材料的S-N曲线来估算零件的S-N曲线经过尺寸系数等修正系数计算,得出桥壳在不同寿命下疲劳极限值,带入坐标轴描出桥壳的S-N曲线,如图5所示.3002502001501005003.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.
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