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摘要：为确定液粘制动器活塞的结构尺寸，本文采用有限元分析软件ANSYS建立了活塞的有限元分析模型，制定了设计变量和目标函数，并进行了优化设计，结果表明优化后零件的质量较优化前减小了10%，而且应力和应变均在许可的范围内。本文的研究结果为液粘制动器的进一步优化设计提供了理论基础。
关键词：液粘制动器，活塞，优化设计，ANSYS
Abstract: in order to make sure the dimensions of the hydro-viscous brake piston, based on finite analysis software ANSYS, the FE model of the piston was built, the design parameters and the objective function were established, and then the piston was optimized. The results show that the mass of the part was reduced about 10%, meanwhile the stress and the deformation both meet the requirements. Achievements of this work provides theoretical basis for further optimal design of the hydro-viscous brake.
Key words: hydro-viscous brake, piston, optimal design, ANSYS
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
0前言
液粘制动器结构上与液粘软器装置相似，差别在于液粘制动器的静摩擦片与壳体相连，并不旋转，而动摩擦片通过键与制动轴相连，制动轴与要制动的设备相连。其结构如图1所示，主要由输入轴、内动摩擦片外摩擦片、左连接架、右连接架、活塞及外壳构成。压力加载在活塞上，推动静、动摩擦片，通过控制器调节比例阀的压力变化，改变动摩擦片与静摩擦片之间的间隙从而改变输出扭矩及输出转速，从而实现设备软制动。
活塞是液粘制动器的关键零件之一，根据液粘制动器动态特性仿真可知，活塞质量越小，液粘制动器动态特性越好。因此在满足应力要求的基础上对结构进行改造，减小其重量不仅可以减小液粘制动器重量，而且对于系统动态特性的改善具有重要意义。本文将采取对活塞加工沟槽并减小结构尺寸的方法减小活塞重量。由于活塞结构较为复杂，采用材料力学的相关公式很难计算其应力和应变，因此本文采用有限元软件ANSYS对其进行结构优化设计。
图1 液粘制动器结构
1参数化建模
如图2所示，选取参数B2、C2、D2作为活塞的设计变量，利用APDL命令进行参数化建模，其中C2与D2分别为沟槽的深度及宽度。
图2活塞设计变量
活塞为轴对称图形，在ANSYS中对其建模，并进行网格单元划分，然后生成活塞有限元模型（如图3所示）。
图3 活塞有限元模型
2求解、提取状态变量和目标函数
完成参数化建模后，根据活塞所受位移约束及所受载荷，进行求解处理，包含设计变量、状态变量和目标函数的提取和指定。
2.1加载及求解
活塞左端面作用于静摩擦片，应限制轴向自由度。右端面受液压力的作用，为均布应力。对左端面施加x方向位移约束，对右端面施加均布载荷约束，进行求解。求解结果如图4和图5所示，通过节点位移云图及应力云图可以看出优化前活塞的应力及位移的分布情况，可以看出优化之前活塞的位移及应力都较小，具有较大余量。
图4未优化活塞位移云图
图5未优化活塞的应力云图
2.2指定设计变量最小值、最大值和收敛公差
活塞的设计变量为B2、C2、D2，指定其设计参数，如表1所示。
表1 活塞设计变量
2.3提取状态变量
把活塞的DMAX（最大位移）及SMAX（最大应力）定为状态变量，并设定设计参数，如表2所示。
表2 活塞的状态变量
2.4设定目标函数
优化活塞的目的是在各项条件满足的情况下，重量最轻。活塞采用45钢，其重量仅与体积有关，选活塞体积为目标函数。定义单元，对所有单元体积积分，通过菜单下的参数提取总体积VTOT，并设定收敛公差为0.15。
3优化结果与分析
采用零阶方法优化，步数为30步。运行OPEXE指令，根据所设定变量开始优化，直至运行结束。由ANSYS分析文件可知，当运行到第11步活塞体积得到最优解。主要涉及变量的变化曲线如图6所示，优化前后的参数如表3所示。
(a)设计变量B2变化曲线
(b)设计变量C2变化曲线
(c)设计变量D2变化曲线
图6 设计变量的变化曲线
表3 优化前后变量对比
优化后活塞的应力为56.199MPa，接近许用应力值。优化之后活塞的质量比优化前减小10%，有效的降低了活塞质量，提高了系统动态性能。
优化后活塞的位移云图及应力云图如图7及图8所示。对比图片可以看出优化后的结果，其结果都在允许范围内。
图7 优化后活塞的位移云图
图8 优化后活塞的应力云图
4结论
（1）利用ANSYS建立活塞参数化模型，并进行网格划分、位移及应力求解，结果表明活塞优化前外形过大，有较大的强度富裕，须进行改进。
（2），以体积最小为目标函数、位移及应力为变量，用ANSYS对活塞进行优化，结果看出，在满足性能要求前提，优化后活塞材料节约10%，有效降低成本、提高其动态特性。
参考文献
劉惟信.机械最优化设计（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2000.
K.Deb.Optimization for Engineering Design[M].Prentice Hall of India PrivateLimited, 1995.
James．An optimization capability for automotive structures[R]．SAE790972.
赵先琼，杨晓红.matlab在机械优化设计中的应用[J].岳阳师范学院学报，2000，13（1）：68−70.
叶元烈.机械优化理论与设计[M].中国计量出版社，2001.
Duane Detwiler．Computer Aided Structure Optimization of Automotive Body Structure[R]．SAE960523.
戴庆辉，崔彦彬，刘中东等.液体粘性传动装置转子的优化设计[J].华北电力学院学报， 1993(4)：92−99.
罗海玉.参数化设计及其关键技术[J].甘肃科技纵横，2003，32（5）：19−20，69.
作者简介：
卫振勇（1977—），男，江苏盐城人，助理工程师。现在徐州五洋科技股份有限公司从事技术工作
关键词：液粘制动器，活塞，优化设计，ANSYS
Abstract: in order to make sure the dimensions of the hydro-viscous brake piston, based on finite analysis software ANSYS, the FE model of the piston was built, the design parameters and the objective function were established, and then the piston was optimized. The results show that the mass of the part was reduced about 10%, meanwhile the stress and the deformation both meet the requirements. Achievements of this work provides theoretical basis for further optimal design of the hydro-viscous brake.
Key words: hydro-viscous brake, piston, optimal design, ANSYS
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
0前言
液粘制动器结构上与液粘软器装置相似，差别在于液粘制动器的静摩擦片与壳体相连，并不旋转，而动摩擦片通过键与制动轴相连，制动轴与要制动的设备相连。其结构如图1所示，主要由输入轴、内动摩擦片外摩擦片、左连接架、右连接架、活塞及外壳构成。压力加载在活塞上，推动静、动摩擦片，通过控制器调节比例阀的压力变化，改变动摩擦片与静摩擦片之间的间隙从而改变输出扭矩及输出转速，从而实现设备软制动。
活塞是液粘制动器的关键零件之一，根据液粘制动器动态特性仿真可知，活塞质量越小，液粘制动器动态特性越好。因此在满足应力要求的基础上对结构进行改造，减小其重量不仅可以减小液粘制动器重量，而且对于系统动态特性的改善具有重要意义。本文将采取对活塞加工沟槽并减小结构尺寸的方法减小活塞重量。由于活塞结构较为复杂，采用材料力学的相关公式很难计算其应力和应变，因此本文采用有限元软件ANSYS对其进行结构优化设计。
图1 液粘制动器结构
1参数化建模
如图2所示，选取参数B2、C2、D2作为活塞的设计变量，利用APDL命令进行参数化建模，其中C2与D2分别为沟槽的深度及宽度。
图2活塞设计变量
活塞为轴对称图形，在ANSYS中对其建模，并进行网格单元划分，然后生成活塞有限元模型（如图3所示）。
图3 活塞有限元模型
2求解、提取状态变量和目标函数
完成参数化建模后，根据活塞所受位移约束及所受载荷，进行求解处理，包含设计变量、状态变量和目标函数的提取和指定。
2.1加载及求解
活塞左端面作用于静摩擦片，应限制轴向自由度。右端面受液压力的作用，为均布应力。对左端面施加x方向位移约束，对右端面施加均布载荷约束，进行求解。求解结果如图4和图5所示，通过节点位移云图及应力云图可以看出优化前活塞的应力及位移的分布情况，可以看出优化之前活塞的位移及应力都较小，具有较大余量。
图4未优化活塞位移云图
图5未优化活塞的应力云图
2.2指定设计变量最小值、最大值和收敛公差
活塞的设计变量为B2、C2、D2，指定其设计参数，如表1所示。
表1 活塞设计变量
2.3提取状态变量
把活塞的DMAX（最大位移）及SMAX（最大应力）定为状态变量，并设定设计参数，如表2所示。
表2 活塞的状态变量
2.4设定目标函数
优化活塞的目的是在各项条件满足的情况下，重量最轻。活塞采用45钢，其重量仅与体积有关，选活塞体积为目标函数。定义单元，对所有单元体积积分，通过菜单下的参数提取总体积VTOT，并设定收敛公差为0.15。
3优化结果与分析
采用零阶方法优化，步数为30步。运行OPEXE指令，根据所设定变量开始优化，直至运行结束。由ANSYS分析文件可知，当运行到第11步活塞体积得到最优解。主要涉及变量的变化曲线如图6所示，优化前后的参数如表3所示。
(a)设计变量B2变化曲线
(b)设计变量C2变化曲线
(c)设计变量D2变化曲线
图6 设计变量的变化曲线
表3 优化前后变量对比
优化后活塞的应力为56.199MPa，接近许用应力值。优化之后活塞的质量比优化前减小10%，有效的降低了活塞质量，提高了系统动态性能。
优化后活塞的位移云图及应力云图如图7及图8所示。对比图片可以看出优化后的结果，其结果都在允许范围内。
图7 优化后活塞的位移云图
图8 优化后活塞的应力云图
4结论
（1）利用ANSYS建立活塞参数化模型，并进行网格划分、位移及应力求解，结果表明活塞优化前外形过大，有较大的强度富裕，须进行改进。
（2），以体积最小为目标函数、位移及应力为变量，用ANSYS对活塞进行优化，结果看出，在满足性能要求前提，优化后活塞材料节约10%，有效降低成本、提高其动态特性。
参考文献
劉惟信.机械最优化设计（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2000.
K.Deb.Optimization for Engineering Design[M].Prentice Hall of India PrivateLimited, 1995.
James．An optimization capability for automotive structures[R]．SAE790972.
赵先琼，杨晓红.matlab在机械优化设计中的应用[J].岳阳师范学院学报，2000，13（1）：68−70.
叶元烈.机械优化理论与设计[M].中国计量出版社，2001.
Duane Detwiler．Computer Aided Structure Optimization of Automotive Body Structure[R]．SAE960523.
戴庆辉，崔彦彬，刘中东等.液体粘性传动装置转子的优化设计[J].华北电力学院学报， 1993(4)：92−99.
罗海玉.参数化设计及其关键技术[J].甘肃科技纵横，2003，32（5）：19−20，69.
作者简介：
卫振勇（1977—），男，江苏盐城人，助理工程师。现在徐州五洋科技股份有限公司从事技术工作