26_基于CAE分析的变速器壳体优化

基于CAE分析的变速器壳体优化Optimization of transmission Housing Based on

CAE Analysis

姜志明

（上海汽车变速器有限公司产品工程部上海201800）

摘要: 本文以某公司自主研发的DCT变速器壳体多工况下的优化设计为例，论述了变速器壳体优化设计的详细流程，通过有限元的拓扑优化设计平台，为变速器壳体优化设计提供了较好的理论依据，在多种工况下可以极快地找到产品优化区域结构形状，提高了产品的研发质量与效率。

关键词: 变速器壳体设计静态分析模态分析拓扑优化

Abstract:This thesis is based on the example of optimization design of a double-clutch transmission (DCT) housing developed under several load cases. This thesis focuses on detailed optimal design procedures of transmission housing through CAE topology optimization design platform, which not only provides good theoretical basis for optimization design of the transmission housing, but also can quickly obtain structure shape of the product 's optimization area with different load cases. Thus, the product R&D quality and efficiency can be improved. Key words: Transmission, Housing design, Static Analysis, modal analysis, Topology Optimization

1前言

变速器壳体为变速器的关键零件，其内安装着变速器齿轮、轴、轴承等重要零部件，通过壳体使变速器固定到整车上。变速器工作时，变速器壳体承担着极其复杂的载荷，又因变速器壳体本身的结构形状复杂，使得受力分析复杂，对于结构强度不好的壳体，想通过人工计算优化出合理的结构形状，是很难实现的事，通过目前成熟的CAE分析正好可以解决这一问题，它通过拓扑优化方法能够在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布，可采用壳单元或者实体单元来定义设计空间，并用Homogenization（均质化）和Density（密度法）方法来定义材料流动规律。通过OptiStruct 中先进的近似法和可靠的优化方法，可以搜索到最优的加载路径设计方案，此外，利用OptiStruct 软件包中的OSSmooth工具，可以将拓扑优化结果生成为IGES等格式的文件，以便在CAD系统中进行方便地输入。

2变速器工作情况

2.1变速器壳体工况

此变速器壳体在悬置考核时，需承受31个工况考核要求，其中25（reverse extreme torque 逆向极限扭矩）、30（Extreme dynamic forward torque动态向前转矩）、31（Extreme dynamic reverse torque极端动态反向转矩）三工况以离合器壳体通过与发动机连接作为约束，通过给安装变速器离合器壳体的扭矩支撑架及安装于离壳体的支撑架施加力（如图1所示），分析结果显示在

该变速器离合器壳体的通风窗口区域主应力超差（如图2所示），为此需对该壳体进行优化设计以满足综合应力要求。该区域各工况应力大小如下表所示：

图1 图2 工况 综合应力（MPa ）

第一主应力(MPa)

考核要求 25 110 120 综合应力小于240MPa 及第一主应力小于160MPa

30 130 50 31

175

173.3

3 变速器壳体优化空间的建立与验证

3.1变速器壳体优化空间的实体三维建立

离合器壳体通风窗口区域处因受安装限制，因此通风窗口处本身直接建立优化空间是很有限，必须另找优化空间。结合装配加工等情况，依次在原设计产品（图3）上建立不可设计空间（图4）、可设计空间（图5）及组合三维（图6）。

图3 图4 图5 图6

3.2变速器壳体优化空间有限元模型的建立

将上述建好的组合三维模型导入CAE 软件中，建立有限元三维网络。为了保证有限元优化处可设计空间与变速器壳体不可设计空间三维网格力的传递，二网格结合处必须共结点，否则，力不能达到正确传递。

3.3变速器壳体优化空间的验证

可设计空间除了满足变速器安装性能外还必须保证优化后壳体的应力达到壳体考核目标值，因此，须对包括整个设计空间在内的实体考虑进来后，对应力分析进行一次评估，只有通过评估后的优化空间才有优化意义。经过分析计算，加上设计空间范围处的窗口的各应力如下：

工况 综合应力（MPa ）

第一主应力(MPa)

考核要求

25

93 106 综合应力小于240MPa 及第一主应力小于160MPa

30 110 82 31

120

130

通过上表显示较差的31工况其主应力仍有30MPa应力可变动空间，别的工况设计应力可变动空间更大，可见此设计空间的定义是合理的。

4 变速器壳体优化空间有限元模型边界条件等的建立

4.1添加材料

创建出各相连接的金属材料，可参考手册等。

4.2设置属性

划分优化区域及非设计区域，因为拓扑优化区域是由属性来识别的，所以通过多个属性可区分设计及非设计区域，本例中将所示的大块设置为设计区域，其他为非设计区域。

4.3 连接关系建立

使用RBE2单元将离合器壳、主壳体、发动机壳体等相关工作零部件连接起来。

4.4 建立边界条件

根据发动机的工况，对发动机进行六自由度的全约束。

4.5 施加载荷

根据25、30、31工况分别给相关零件施加载荷。

4.6 建立工况

利用上两步所创建出的边界条件及载荷分别组合起来创建出25、30、31三种工况。

4.7 建立拓扑优化变量

使进入Optimization 模块Topology 菜单选择设计区域属性，类型选择PSOLID 创建优化变量，进入Draw 面板设置拔模方式为SPLIT 选择从中心面往外两侧拔模，如图所示，Obstacle 选择非设计区域属性。

4.8 建立优化响应

进入response 面板分别建立类型为Volumefrac、Weighted Comp的连个相应，其中Weighted Comp 在Loadstep 中将25、30、31三种工况都选中且权重均衡。