摘 要：本文对某重型自卸车的换挡软轴支架进行轻量化设计，首先对软轴支架进行有限元分析，该结构具有较高的强度、刚度性能；然后用OptiStruct对支架进行拓扑优化设计，在保证刚度性能的前提下，得到材料的最佳分布；在此基础上，通过两种优化方案的对比得到质量最轻、应力水平最低且应力分布比较均匀的轻量化设计方案，并分析更替材料合理性，确定采用铸铝A380材料。最后，将优化后的支架装车试验，结果表明换挡力降低了15%，寿命达600万次以上。
关键词：OptiStruct 拓扑优化 换挡软轴支架 刚度 铸铝A380

1 概述
汽车的换挡操纵性能是评价汽车可操控性能的一项重要参数，换挡的顺利与否直接影响到驾驶员的工作强度及驾车心情，而换挡软轴支架的刚度及强度直接影响到换挡的操控性，因此，提高换挡软轴支架的刚度有助于提高整车的可操控性。本文利用HyperWorks中的OptiStruct模块对换挡软轴支架进行拓扑优化分析，在原支架基础上改进，使之即提高刚度、强度性能，又减轻重量，从而减轻汽车重量并提高车辆的可操控性能。

2 换挡软轴支架结构分析
本文以某重型自卸车换挡软轴支架作为研究对象，建立有限元模型，该模型重2.4Kg，采用6mm厚钢板拼焊而成，见图2。本次分析所涉及到的材料参数如表1所示。

结构有限元分析的边界条件十分重要，它直接影响着分析结果的准确度，因此，我们有必要去对它的受力状况及约束等进行分析。换挡软轴支架受载分析，如图1所示。根据设计标准，该变速箱换挡臂上的拉力为F1,因换挡软轴弯曲布置，转弯处的夹角为θ、压力为N，软轴与管壁的摩擦系数，根据静力平衡原理，则软轴的拉力F：

该换挡软轴支架采用四面体单元、尺寸为5mm划分，共计73555个单元。根据公式③对软轴支架加载，见表2；在软轴支架的三个安装点做固定约束，如图2所示。分析结果见表3及图3.

按上述边界条件加载后，利用Altair 公司的HyperWorks软件平台自带的求解器Radioss进行计算，计算使用HyperView软件做后处理如下。