齿轮因具有稳定的传动比而在传动装置中为重要的传动件之一，齿轮结构性能的好坏不仅影响其工作寿命，也影响了传动装置的性能。随着工业制造的要求不断提高，对于设计出性能良好且节省材料的传动件也提出了较高的要求。
在此背景下，将结构优化技术引入齿轮设计中，实现齿轮的高质量、轻量化设计。并且在设计阶段通过仿真分析实现齿轮的合理性检验，以缩短设计周期、降低齿轮设计生产强度。
轻量化齿轮拓扑优化模型的建立
拓扑优化是通过对定义的设计区域进行载荷工况的添加、约束处理，进而在设
计空间内寻求材料的最佳布局，以达到设定的优化目标。本文采用solidworks进行齿轮的建模。
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载荷工况及约束自由度处理
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拓扑优化目标设置
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这里需定义两个设计参数，一是定义设计目标为刚度最大化，以保证齿轮结构强度，二是设计空间总体积的百分比，确定齿轮材料的多少，根据多次结果进行数据的调整。
轻量化齿轮拓扑优化结果及分析
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通过优化结构发现，材料剩余100%、20%、25%、30%的拓扑优化图存在不同差异，在结构上，在齿轮上有一较小孔洞并且孔洞的形状呈放射状，孔洞的排序以中心轴为对称中心呈五辐对称，在靠近中心连接处的地方，结构厚度相对较大，这类似传统设计齿轮，在两面设计凹槽相近。从整体造型分析，优化结果
大大节省了材料，达到了轻量化的目的
齿轮拓扑优化结果可靠性分析及验证
齿轮传动在现代机械应用中最为广泛，齿轮传动是指由齿轮副传递运动和动力的装置，齿轮在其中扮演着相当重要的角色。因此，必须通过虚拟仿真验证齿轮的强度。
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齿轮位移云图
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应力分布图
由轮毂位移云图分析可知，齿轮最大位移变形集中在轮齿附近，最大变形量为0.14mm，轮毂的安全系数为1.3，已达安全最低标准。由图分析可知，在轮齿边上的位置最容易发生断裂，在设计时要尽可能减少此处的应力集中现象。
在这里只是简单概述拓扑优化的主要过程，如果你对拓扑优化研究领域感兴趣，欢迎一起探讨交流！
文章来源：华汽电动车队
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