汽车变速箱壳体结构拓扑优化设计

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1、第４３卷第３期吉林大学学报（工学版）Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．３２０１３年５月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｉｔｉｏｎ）Ｍａｙ２０１３汽车变速箱壳体结构拓扑优化设计朱剑峰１，林逸１，２，陈潇凯１，施国标１（１．北京理工大学机械与车辆学院，北京１０００８１；２．北京汽车研究总院，北京１０００２１）摘要：将基于变密度法的拓扑优化技术引入到汽车变速箱壳体结构设计中，同时在优化过程中考虑了制造工艺的约束。首先通过对变速箱壳体分别进行静态和动态拓扑优化来提高变速箱壳体结构的强度、刚度、固

2、有频率以及控制结构重量。然后根据拓扑优化结果并综合考虑其制造工艺等要求，对变速箱壳体进行详细的结构设计。最后对变速箱壳体最终设计模型进行应力分析和模态分析，结果表明：该变速箱设计方案不仅在各工况下的应力水平低于材料屈服极限，而且一阶模态避开了动力总成系统共振敏感区。关键词：车辆工程；变速箱壳体；拓扑优化；变密度法中图分类号：Ｕ４６２．３文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－５４９７（２０１３）０３－０５８４－０６ＤＯＩ：１０．７９６４／ｊｄｘｂｇｘｂ２０１３０３００５Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｄｅｓｉ

3、ｇｎｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｈｏｕｓｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１，ＬＩＮＹｉ１，２，ＣＨＥＮＸｉａｏ－ｋａｉ１，ＳＨＩＧｕｏ－ｂｉａｏ１ＺＨＵＪｉａｎ－ｆｅｎｇ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｄｅｎｓｉ

4、ｔｙｂａｓｅｄｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｈｏｕｓｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔａｋｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｎａｔｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｉｔｓｗｅｉｇｈｔ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｔｏｐｏｌ

5、ｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｈｏｕｓｉｎｇａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ａｎｅｗｒａｔｉｏｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｈｏｕｓｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｎｅｗｄｅｓｉｇｎａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｎｏｔｏ

6、ｎｌｙｔｈｅｓｔｒｅｓｓｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｈｏｕｓｉｎｇｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｙｉｅｌｄｓｔｒｅｓｓ，ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｍｏｄａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｖｏｉｄｓｔｈｅｐｏｗｅｒｔｒａｉｎｓｙｓｔｅｍｒｅｓｏｎａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｈｏｕｓｉｎｇ；ｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｖａｒｉａｂｌｅｄｅｎｓｉｔｙｍｅｔｈｏｄ收稿日期：２０１２－０３－０６．基金项目：国家自然科学基金项目（５０９０５０１７，５１

7、２７５０４０）．作者简介：朱剑峰（１９７９－），男，博士研究生．研究方向：汽车底盘结构分析与优化．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｊｉａｎｆｅｎｇ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ通信作者：林逸（１９５３－），男，教授，博士生导师．研究方向：汽车动力学及控制．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｙｉ＠ｃｈｉｎａ．ｃｏｍ第３期朱剑峰，等：汽车变速箱壳体结构拓扑优化设计·５８５·拓扑优化技术是目前汽车零部件企业广泛应为设计变量，拓扑优化目标即以结构的总柔度最用的一种结构优化设计方法。它可以在零件结构小或者结构的一阶固有频率最大为优化设计目［１］方案设计阶段给材料合理布局，减轻结构重量

8、。标，并控制结构总质量以及考虑边界平衡条件。利用这项技术，汽车制造企业可以缩短新产品的这里假定材料弹性模量与其密度之间的关系为研发周期，同时可以提高产品结构性能，减少甚至αＥ＝ｘ