基于水平集結構拓撲優化的自動變速器輕量化實現方法

專題

基于水平集結構拓撲優化的自動變速器輕量化實現方法

汽車概念階段的設計直接影響最終實車的性能，因而各汽車制造商都非常注重汽車概念階段的設計。在汽車概念設計階段，需要考慮的性能指標包括燃油經濟性、動力性和振動噪聲特性等。其中，要求最為嚴格的為汽車燃油經濟性。減輕汽車零部件的質量即實現汽車輕量化是改善汽車燃油經濟性的最有效的方式之一。汽車變速器作為汽車動力總成的主要部件，在實現汽車輕量化的過程中起著重要作用。介紹了自動變速器的輕量化工作，并給出了一種用于輕量化設計自動變速器的結構拓撲優化方法。

在汽車概念設計階段，對自動變速器的輕量化設計通常包含兩個方面：一是輕量化材料的選擇；二是自動變速器結構的輕量化優化設計。介紹了自動變速器結構的輕量化優化設計方法，通常采用結構拓撲優化方法，該方法可以對自動變速器的結構材料布局進行優化，且具有較高的靈活性。然而，在大多數商業化軟件中，利用結構拓撲優化方法得到的結果往往含有“灰度區域”，從工程和制造的角度來看，“灰度區域”的取值是難以實現的。對此，給出了一種基于水平集的結構拓撲優化方法。該方法在進行結構拓撲優化前，首先建立描述結構邊界運動特性的水平集。之后，在結構拓撲優化中引入水平集，限制結構拓撲優化在水平集范圍內進行。在對結構進行拓撲優化的過程中，水平集中描述結構邊界運動的函數也隨之改變，最終。得到的拓撲優化結果將給出可行的最優結構配置。

為驗證所采用的方法，將其應用在自動變速器停車棘爪的結構優化中，停車棘爪的模型由日本愛信精機株式會社提供。結構拓撲優化結果表明，對停車棘爪模型進行基于水平集的結構拓撲優化后，其質量減輕了8.8%，且優化后的最優結構配置結果明確可行。

Miho Kumagai et al.SAE 2016-01-1386.

編譯：李臣