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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。

    在优化过程中,模型响应将会直接影响到优化结果是否合理,是否满足设计要求。本次优化模型响应选择的是体积分数,静态位移,静态应力、频率和柔度,在此需要指出的是,由于本次为静动态相结合的结构拓扑优化,采用的柔度响应为组合柔度指数。

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    图3

3.3 优化结果

    对于具有复杂结构的壳体,我们一般通过两个方面对其进行优化设计,第一步通过简单的工程制造约束参数设置,分析得到壳体表面基本的结构;第二步通过细致的工艺制造约束参数的设置,得到壳体表面加强筋的布置结果,最终两者相结合,得到符合设计要求且性能良好且美观的壳体结构。通过仿真计算与模型的的调整,最终得到优化结果云图如图所示:

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    图4

    通过上图的对比可以看出,单一挡位重点部位材料的布局形式在多挡位结合是材料的布局上均有体现,因此为了得到良好的刚度、强度、NVH性能,通常我们会以多挡位工况结合的优化结果作为壳体整体的分布,但是拓扑优化结果通常只是作为结构设计的指导方向,因为优化结果大多比较粗糙(如壳体壁厚尺寸过大或部分材料的缺失),因此这仅能作为参考。

4 优化后壳体设计与验证分析

4.1 优化结果

    根据优化后结果与壳体设计原则通过3D建模软件完成壳体的优化后模型的建立,模型如所示:

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    图4

4.2 结果分析验证

    在完成壳体再设计之后,需对优化后的模型进行分析验证,主要从质量、强度、刚度三方面进行验证并与原方案对比。

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    图5

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    通过过上表对比,可以得到,本次优化后壳体质量比原模型减少了1.85Kg,等效应力为110MPa小于原壳体模型的等效应力170MPa,一阶模态为1048Hz达到设计目标,因此本次优化在在提升了壳体原有性能的前提下实现了轻量化设计。

5 结论

    1、通过OptiStruct软件完成了壳体强量化要求,减重1.85Kg,实现了公司减重目标。

    2、通过拓扑优化设计提高了材料的利用率,减少冗余复杂结构,从而降低材料成本;同时保证了壳体工艺制造的最佳工艺性,提高了模具使用寿命,降低模具成本;

    3、在壳体设计初期充分考虑壳体结构的刚度、强度、模态等方面,避免重复修改等大量工作,有助于提高设计人员的工作效率,缩短了壳体开发周期,降低开发成本;

    4、本文未考虑壳体噪音问题,将结合后期相应标准,对壳体噪音质量问题进行提高改善。

责任编辑:张纯子
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