拓扑优化技术在变速器壳体设计中的应用.pdf

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1、机械工程师MECHANlCALENGlNEER拓扑优化技术在变速器壳体设计中的应用彭帮亮，陈伟。姬腾飞。刘伟宏(安徽江淮汽车股份有限公司，合肥230601)摘要：首先介绍变速器壳体设计面临的轻量化要求及拓扑优化技术的原理，重点阐述了在概念设计结束之后，利用有限元和拓扑优化技术对变速器壳体进行详细设计的流程和方法，最后展示了通过优化后的设计方案及FEM分析结果。关键词：变速器壳体：拓扑优化．轻量化，OptiStructFEM中图分类号：U463．212文献标志码：A文章编号：1002-2333(2016)03—01682040引言变速器壳体在变速器总成中主要起到支撑、

2、包络和密封的作用，壳体功能决定了具有大体积、大重量的特征，同时要求其具有较高的结构强度、刚度及良好的NVH特性。现阶段针对壳体方案的设计，更多的是利用工程师的设计经验及对标数据来实现，为保证满足技术及使用要求，往往会造成局部特征冗余，增加整机的重量目标控制风险。在轻量化设计的重要性日趋凸显的大环境下，本文利用AltairOptiStruct软件开展拓扑优化在变速器壳体设计中的应用工作，以期为变速器壳体的轻量化设计提供一种可靠的解决方案。1拓扑优化技术简介J．J拓扑优化技术拓扑优化技术是结构优化技术中有前景、具有创新性的技术，是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布，

3、或者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。AltairOptiStruct是公认优化算法稳健、优化类型全面、工程实用价值大的商用拓扑优化软件。拓扑优化中常用的拓扑表达形式和材料插值模型方法有：均匀化方法(HomogenizationMethod)、密度法(如各向正交惩罚材料密度法，即SIMP，SohdIsotropicMaterial(Density)”作为设计变量。该“单元密度”同结构的材料参数有关(单元密度与材料弹性模量E之间具有某种函数关图1拓扑优化技术原理示意系)，01之间连续取值，优化求解后单元密度为1(或接近1)表示该单元位置处的材料很

4、重要，需要保留；单元密度为0(或接近0)表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计。如图1所示，两端简支的垂直放置平板在受力作用下，当给定右下方的p—E曲线关系时，优化后的黑色的单元(单元密度接近1)的材料组成了传力路径在设计中要保留，而灰色的单元(单元密度接近0)的材料则可以去除。若以结构的柔顺度(变形能)最小为目标，考虑材料体积约束(质量约束)，则拓扑优化的数学模型为：withPenalizationModel)、变厚度法、拓扑函数描述方法。p=X。po，J．2单元密度法KF(x。)叫b，OptiStruct拓扑优化的材料模式采

5、用密度法(SIMP方fin嘏=(X，，x：，咒，⋯⋯X。)7，法)，即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度MinC=FTD，差值与温度差值流程如图8所示。连接处，最大应力值约为500MPa，该温度下的许用应力3)施加位移约束、对称边界条件及插值的温度和压为512MPa，可以满足材料的许用要求。力，提交求解(如图9～图11o3结论4)施加位移约束、对称边界条件及稳态压力，提交求通过对超临界空冷机组流固耦合的计算分析，可见，解(如图12、图13)。这种方法的计算结果合理且可靠，可为喷嘴的设计及安2计算结果分析全运行提供参考。流固耦合计算的应力分布合理，且流场的压力

6、及温度分布，与热力参数能够较好地吻合，结果可靠。流固耦合方法计算的结构应力最大出现在喷嘴组叶片与内环的(编辑明涛)作者简介：党ee(1980一)，女，工程师，从事汽轮机结构设计工作。收稿日期：2015—1l一12168l2016年第4期网址：wwwjxgcs．com电邮hrbengineer@163com机械工程师MECHANICAII：：NGINFl：lqs．t．V≤Vo．0d。≤X。≤1，阽肋。式中：兄为每个单元的相对密度；p曲设计域里的每个单元的固有密度；p为拓扑设计变量；疋为单元的刚度；Ko蔓7单元的固有刚度；助惩罚因子；X。为单元相对密度的下限；V为结构充

7、满材料的体积；y0为结构设计域的体积；助结构的外载荷；助结构的总体刚度矩阵；D为结构的位移。2变速器壳体的拓扑优化设计2．，优化区域划分2．1．1非设计区域定义在变速器产品设计阶段，根据内部齿轴传动系统、换挡系统、驻车装置、液压控制系统、离合器系统等分总成的包络空间以及发动机舱的外围布置空间，在符合铸造工艺性、机加工工艺性、装配工艺性等要求的前提下，初步包络出变速器壳体的最小本体3D模型，即为本文中所定义的非设计区域。如图2所示。上述方案中包含了变速器壳体系统所需的所有功能性特征，以及用于铸造成型的拔模角度、圆角特征、分型线特征等，不包含任何能改善方案结构强度、