基于CAE分析的變速器殼體優(yōu)化

姜志明

Jiang Zhiming

（上海汽車變速器有限公司 產(chǎn)品工程部，上海 201800）

0 引 言

變速器殼體為變速器的關(guān)鍵零件，其內(nèi)安裝著變速器齒輪、軸、軸承等重要零部件，通過(guò)殼體使變速器固定到整車上。變速器工作時(shí)，變速器殼體承擔(dān)著極其復(fù)雜的載荷，又因變速器殼體本身的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，使得受力分析復(fù)雜，對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不好的殼體，想通過(guò)人工計(jì)算優(yōu)化出合理的結(jié)構(gòu)形狀，是很難實(shí)現(xiàn)的事。通過(guò)目前成熟的CAE分析可以解決這一問(wèn)題，它通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法能夠在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求最佳的材料分布，可采用殼單元或者實(shí)體單元來(lái)定義設(shè)計(jì)空間，并用Homogenization（均質(zhì)化）和Density（密度法）方法來(lái)定義材料流動(dòng)規(guī)律。通過(guò)Optistruct中先進(jìn)的近似法和可靠的優(yōu)化方法，可以搜索到最優(yōu)的加載路徑設(shè)計(jì)方案。此外，利用Optistruct軟件包中的OSSmooth工具，可以將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果生成為IGES等格式的文件，以便在CAD系統(tǒng)中方便地輸入。

1 變速器殼體工況

變速器殼體在懸置考核時(shí)，需承受31個(gè)工況考核要求，其中25（rev rock cycle torque反向搖晃循環(huán)轉(zhuǎn)矩）、30（extreme dynamic forward torque，動(dòng)態(tài)向前轉(zhuǎn)矩）、31（extreme dynamic reverse torque，極端動(dòng)態(tài)反向轉(zhuǎn)矩）3個(gè)工況以離合器殼體通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接作為約束，通過(guò)給安裝變速器離合器殼體的轉(zhuǎn)矩支撐架及安裝于離合器殼體的支撐架施加力（如圖1所示），分析結(jié)果顯示在該變速器離合器殼體的通風(fēng)窗口區(qū)域主應(yīng)力超差（如圖2所示），為此需對(duì)該殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足綜合應(yīng)力要求。該區(qū)域各工況應(yīng)力大小如表 1所示。

表1 工況應(yīng)力

2 變速器殼體優(yōu)化空間的建立與驗(yàn)證

2.1 變速器殼體優(yōu)化空間的實(shí)體三維建立

變速器離合器殼體通風(fēng)窗口區(qū)域處因受安裝限制，直接建立優(yōu)化空間受到限制，必須另找優(yōu)化空間。結(jié)合裝配加工等情況，依次在原設(shè)計(jì)產(chǎn)品（圖 3）上建立不可設(shè)計(jì)空間（圖 4）、可設(shè)計(jì)空間（圖5）及組合三維（圖6）。

2.2 變速器殼體優(yōu)化空間有限元模型的建立

2.3 變速器殼體優(yōu)化空間的驗(yàn)證

可設(shè)計(jì)空間除了滿足變速器安裝性能外還必須保證優(yōu)化后殼體的應(yīng)力達(dá)到殼體考核目標(biāo)值，因此，須對(duì)包括整個(gè)設(shè)計(jì)空間在內(nèi)的實(shí)體考慮后，對(duì)應(yīng)力分析進(jìn)行一次評(píng)估，只有通過(guò)評(píng)估后的優(yōu)化空間才有優(yōu)化意義。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，加上設(shè)計(jì)空間范圍處的窗口的各應(yīng)力如表2所示。

表2 加設(shè)計(jì)空間工況應(yīng)力

通過(guò)表2顯示，較差的31工況其主應(yīng)力仍有30MPa應(yīng)力可變動(dòng)空間，別的工況設(shè)計(jì)應(yīng)力可變動(dòng)空間更大，可見(jiàn)此設(shè)計(jì)空間的定義是合理的。

3 變速器殼體優(yōu)化空間有限元模型邊界條件等的建立

3.1 添加材料

創(chuàng)建出各相連接的金屬材料，可參考手冊(cè)等。

3.2 設(shè)置屬性

劃分優(yōu)化區(qū)域及非設(shè)計(jì)區(qū)域，因?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化區(qū)域是由屬性來(lái)識(shí)別的，所以通過(guò)多個(gè)屬性可區(qū)分設(shè)計(jì)及非設(shè)計(jì)區(qū)域，文中將所示的大塊設(shè)置為設(shè)計(jì)區(qū)域，其他為非設(shè)計(jì)區(qū)域。

3.3 連接關(guān)系建立

使用 RBE2單元將離合器殼、主殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等相關(guān)工作零部件連接起來(lái)。

3.4 建立邊界條件

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行六自由度的全約束。

3.5 施加載荷

根據(jù)25、30、31工況分別給相關(guān)零件施加載荷。

3.6 建立工況

利用上兩步所創(chuàng)建出的邊界條件及載荷分別組合起來(lái)創(chuàng)建出25、30、31三種工況。

3.7 建立拓?fù)鋬?yōu)化變量

進(jìn)入Optimization 模塊Topology 菜單選擇設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)傩裕愋瓦x擇 PSOLID 創(chuàng)建優(yōu)化變量，進(jìn)入Draw 面板設(shè)置拔模方式為SPLIT，選擇從中心面往外兩側(cè)拔模，如圖 8所示，Obstacle 選擇非設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)傩浴?/p>

經(jīng)過(guò)治療后,對(duì)照組患者的臨床治療有效率是60%,觀察組患者的臨床治療有效率是96%,兩組患者的臨床治療有效率對(duì)比存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性(P<0.05)。

3.8 建立優(yōu)化響應(yīng)

進(jìn)入 Response 面板分別建立類型為Volumefrac、Weighted Comp的連個(gè)相應(yīng)，其中Weighted Comp 在 Loadstep 中將 25、30、31三種工況都選中且權(quán)重均衡。

3.9 建立優(yōu)化約束

進(jìn)入 Dconstraints 面板選擇上一步所建立的類型為Volumefrac 的響應(yīng)，設(shè)置其上限值0.3。

3.10 建立優(yōu)化目標(biāo)

進(jìn)入Objective 面板，選擇第3.8步驟所創(chuàng)建的類型為Weighted Comp 的響應(yīng)設(shè)置其目標(biāo)為最小。

3.11 提交求解

保存 .fem 文件，設(shè)置合適的內(nèi)存空間后調(diào)用OptiStruct 解算器進(jìn)行求解。

3.12 優(yōu)化結(jié)果后處理

經(jīng)過(guò)4步的迭代，結(jié)果收斂。打開(kāi)HyperView查看結(jié)果，將單元密度閥值設(shè)置為0.3，結(jié)果如圖10所示。

返回HyperMesh窗口，在后處理Post 面板將第4步結(jié)果讀入，并使用OSSmooth 命令將優(yōu)化后的單元格光順成ISO 曲面，ISO 曲面閥值同樣取0.3。

4 變速器殼體模型再建

4.1 模型再建

參考輸出的結(jié)果曲面，利用CAD 軟件重建三維模型，如圖11及圖12所示。

4.2 重建后的模型驗(yàn)證

4.2.1 三種工況下力學(xué)性能對(duì)比驗(yàn)證如表3所示。

表3 對(duì)比驗(yàn)證

4.2.2 模態(tài)分析驗(yàn)證

分別對(duì)優(yōu)化前及優(yōu)化后整個(gè)變速器殼體組件約束后進(jìn)行模態(tài)分析，優(yōu)化前及優(yōu)化后模型的前三階振形對(duì)應(yīng)的固有頻率如表 4所示，可見(jiàn)優(yōu)化后模型其剛度值有提高。

表4 優(yōu)化前后前三階固有頻率對(duì)比

5 變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)推廣

變速器殼體概念設(shè)計(jì)時(shí)，可將變速器殼體的軸承等基本的特征建立，并建立好齒軸相關(guān)的安裝空間，將這些建好的特征作為不可設(shè)計(jì)空間，再建立大的區(qū)域作為可設(shè)計(jì)空間（圖 13所示）。根據(jù)變速器的工況作為輸入條件進(jìn)行約束，對(duì)可設(shè)計(jì)空間進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化出的結(jié)果（圖14、圖15所示），可以尋找得到殼體的最優(yōu)結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)筋分布合理的概念設(shè)計(jì)（圖16）。

6 結(jié) 論

1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)應(yīng)盡可能獲取大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間，只有設(shè)計(jì)空間大，滿足設(shè)計(jì)要求的希望就越大，越容易達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2）采用 CAE拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果雖在顯示上還是比較粗糙的，但它提供了產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)材料合理分布的區(qū)域，實(shí)際的結(jié)構(gòu)還需要考慮很多方面的問(wèn)題，如成本、工藝等。

3）經(jīng)過(guò)分析比較，經(jīng)過(guò) CAE拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的新殼體較原殼體在性能上有很大提升，滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明該方法是可靠合理的，為產(chǎn)品特別是變速器殼體等異形件類優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。

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