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OptiStruct在变速器壳体优化设计中的应用

2018/2/20    来源:互联网    作者:史元元  刘玉蒙  冉昭      
关键字:变速器  轻量化  OptiStruct  拓扑优化  
为了缩短变速器壳体设计周期,提高壳体的性能,并实现壳体轻量化的目标。结合现有结构优化方法,不断地对模型进行优化分析,使壳体材料分布达到最优状态。本文主要利用OptiStruct软件中的拓扑优化,根据给定的边界条件、约束条件和目标值,结合变速器实际工况与壳体制造工艺方法,完成壳体的优化设计,实现壳体减重1.5Kg,解决局部等效应力超过屈服强度问题,并使一阶模态达到1000以上的目标。

1 概述

    近些年来,节能减排降油耗已经成为汽车行业发展的大趋势,零部件的轻量化设计成为各个车企实现降低油耗的重要措施之一。通过降低汽车本身的重量,提高汽车的燃油经济性、节约能耗、减少污染。我司设计人员在不影响汽车的安全性、抗振性以及舒适性的工况下,利用拓扑优化方法,对变速器壳体及零部件进行优化再设计,既保证了良好使用性能,又实现了变速器壳体轻量化设计。

    机构拓扑优化设计,开展于概念设计早期,主要研究结构材料布局,由于拓扑优化的结果决定了产品的最优拓扑,即决定了产品的最终形状与性能,因此在壳体轻量化设计中大量应用拓扑优化技术,可以在很大程度上保证壳体结构设计,后续的尺寸和形状优化是在材料分布最优初始拓扑形式下进行的,能够极大提高材料利用率。

2 优化前模型的确认

2.1 壳体材料属性

    该变速器壳体的材料为铸铝,并采用高压铸造工艺,其弹性模量E=72GPa,泊松比μ=0.3,密度为ρ=2.7╳103Kg/m3,屈服强度为160MPa,抗拉极限为270MPa。

2.2 工况及加载验证

    本文综合考虑了壳体的刚度曲线、箱内轴的扰度、齿轮参数等因素,依据力的平衡和力偶平衡,依据发动机输出扭矩计算出在不同挡位时壳体上各个轴承座处受的载荷(力和力矩)。

    首先通过OptiStruct软件完成优化前壳体模型的仿真分析。主要对其质量、强度、刚度进行分析确认,确保壳体优化前后性能不变,同时为优化提供目标值与约束值。

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    图1 优化原模型

    通过仿真分析得到,壳体的等效应力为180MPa,大于壳体材料的屈服强度,一阶模态为680Hz小于1000Hz,故原模型在性能上不满足设计要求。

3 优化模型的建立

3.1 可设计空间的提取

    首先对变速器壳体的可设计空间进行提取,尽量使壳体在进行优化前的模型最大程度的充满设计空间,并且保证壳体与内外零部件的动静态连接关系,避免发生干涉,影响到内外零部件的安装与工作,除此之外拓扑优化使用的模型应满足结构的制造工艺性,避免后期无法加工制造的问题。对原模型进行可设计空间提取,给出优化前最大材料可利用空间,具体如图所示。

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    图2 减速器壳体拓扑优化模型

3.2 优化模型加载及优化设置

    与优化前壳体模型相同,对优化模型进行加载,并在加载后完成变量、优化响应、约束和目标值得建立。本次优化将壳体优化模型根据加工制造工艺可行性问题的要求分为多个子优化空间进行变量的设置,使优化结果更便于加工制造。

    将优化区域中每个子区域分别设置为变量,根据不同部位设计使用不同的拔模方向,循环对称数等加工制造约束。

责任编辑:张纯子
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