本文运用Hyperworks大型有限元分析软件，建立了某型汽车传动轴凸缘叉的有限元模型，根据模型分析计算结果的应力分布情况，提出改进设计方案。新的设计方案既减轻了产品重量，达到了降本的目标，同时又保证了产品的承载强度。

有限元分析最先应用于航空工程，现已迅速推广到机械、汽车、造船和建筑等各种工程技术领域。目前在汽车结构分析中有限元分析已成为一种被广泛采用的基本分析方法，具体体现在以下两方面：一是在汽车的设计方面，对所有结构件及主要机械零部件的强度、刚度和稳定性分析，有限元分析是一种不可替代的工具；二是在计算机辅助设计、优化设计方面，作为结构分析的工具已成为其主要组成部分之一。

凸缘叉是汽车动力传动轴上传递转矩的主要构件之一，在疲劳载荷下容易产生断裂失效，运用有限元技术对凸缘叉的结构强度进行分析，经证明是一种非常有效的设计手段。国内早期在进行结构件设计时，由于缺少先进的分析手段，加之材料成本较为便宜，设计人员没有充分考虑产品轻量化的需求。目前，随着国际化步伐加快，整车轻量化已成为汽车行业发展的潮流。总体来看，实现结构轻量化的主要途径有两个：一是采用新材料，二是合理优化结构设计。本文运用有限元分析技术对某汽车上的凸缘叉产品进行了合理的优化减重设计，达到了预期目标。

原结构凸缘叉有限元分析

1.原结构几何模型

运用Creo大型三维造型软件创建原结构凸缘叉几何模型，由于凸缘叉结构曲面过渡较为复杂，在处理重要圆角部位时要与实际结构一致，对不影响结构性能的小倒角、小圆角可以不用创建。原结构几何模型如图1所示，计算重量为1.21kg。

2.原结构有限元模型

将建立好的几何模型存为STP格式或者IGS格式并调入Hyperworks大型有限元分析软件中进行有限元模型的建立。在进行网格划分前需对几何模型进行几何清理，由于凸缘叉曲面较多，主要对建模产生的各种自由边、小的缺面进行修补清理。对修补完成的模型直接采用SOLID单元进行离散化，材料参数选用弹性模量2.1×105N/mm2、泊松比为0.3。边界条件的施加根据凸缘叉实际受力工况，将凸缘叉底座部位的4个螺栓孔X/Y/Z自由度全方位约束，在凸缘叉对称耳孔处施加转矩载荷，具体载荷大小为800Nm（额定载荷），对处理完成的有限元模型进行检测，无错误显示后，有限元模型可以直接运用Hyperworks中的Optistruct优化模块进行后处理求解。原结构有限元模型如图２所示。

3.原结构有限元分析结果

运用后处理模块查看凸缘叉分析结果，图３所示为原结构凸缘叉求解计算后提取的综合应力分布云图，从图中可以看到，去除边界原因最大应力发生在耳部边缘R处，最大值为282MPa，小于45#钢材料屈服强度355MPa，原结构满足产品强度设计要求，安全因数为1.26。从综合应力分布云图可以清楚看到，在原结构凸缘叉的底座部位的应力相对耳部非常小，除螺栓固定位置之外，可认为基本不受力。其应力分布极不均匀，存在材料过剩，有较大的优化空间。

改进结构凸缘叉有限元分析

1.改进结构几何模型

根据原结构凸缘叉的应力分布状况，对原结构进行优化改进，主要对原结构凸缘叉的底座部位进行了优化，挖空基本不受力蓝色区域的材料，适当增强应力较大部位的材料和过渡圆角。具体改进后的几何模型如图４所示，此时的计算重量为0.85kg，相对原结构凸缘叉重量减轻了0.36kg。

2.改进结构有限元模型

改进后凸缘叉的有限元模型完全按照原结构的有限元模型创建，分步进行模型修补、材料参数定义、网格划分、施加边界条件和检测模型并求解计算。改进结构有限元模型如图５所示。

3.改进结构分析结果

图６所示为改进结构凸缘叉求解计算后提取的综合应力分布云图，从中可以看到，去除边界原因最大应力发生在耳部边缘R处，最大值为242MPa；最大应力发生部位与原模型一致，最大应力小于材料许用应力355MPa，满足产品强度设计要求，安全因数为1.46；相对原结构凸缘叉的最大应力值降低了40MPa，模型的应力分布更为均匀，产品更为安全。

结语

通过以上的有限元分析技术对某型汽车传动轴凸缘叉结构进行优化减重改进，使改进后的凸缘叉结构得到了改善，具体表现在以下几方面：比原结构凸缘叉节约原材料0.36kg/只，相当于减重30%；比原结构凸缘叉的承载能力提高14%，结构更为合理；完全满足汽车轻量化要求，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排污。

运用有限元分析技术，在汽车产品各种结构件的优化设计中，是行之有效的一种优化手段，特别是在全球资源越来越紧缺的环境下，值得企业应用和推广。