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 onCAE 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 Optimization1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160MPa30 130 50 31175173.33 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63.2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2593 106 综合应力小于240MPa 及第一主应力小于160MPa30 110 82 31120130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。

4.9建立优化约束进入Dconstraints 面板选择上一步所建立的类型为Volumefrac 的响应，设置其上限值0.3。

4.10 建立优化目标进入Objective 面板，选择第4.8步所创建的类型为Weighted Comp 的响应设置其目标为最小。

4.11 提交求解保存.fem 文件，设置合适的内存空间后调用OptiStruct解算器进行求解。

4.12 优化结果后处理经过4步的迭代，结果收敛。

打开HyperView 查看结果，将单元密度阀值设置为0.3 ，结果如图7所示。

图7返回HyperMesh窗口，在后处理Post 面板将第4步结果读入，并使用OSSmooth 命令将优化后的单元格光顺成ISO 曲面，ISO 曲面阀值同样取0.3。

5变速器壳体模型再建5.1 模型再建参考输出的结果曲面，利用CAD 软件重建三维模型，如图8及图9所示：图8 图95.2 重建后的模型验证5.2.1三种工况下力学性能对比验证工况综合应力（MPa ） 第一主应力(MPa)优化前加设计空间优化后 优化前 加设计空间优化后 25 110 93 101 120 106 110 30 130 110 120100 82 91 31 175120145173.31301495.2.2模态分析验证分别对优化前及优化后整个变速器壳体组件约束后进行模态分析，优化前及优化后模型的前三阶振形对应的固有频率如下表所示，可见优化后模型其刚度值有提高。

66.1概念设计阶段时的应用变速器壳体概念设计时，可将变速器壳体的轴承等基本的特征建立，并建立好齿轴相关的安装空间，将这些建好的特征作为不可设计空间，再建立大的区域作为可设计空间（图10所示）。

根据变速器的工况作为输入条件进行约束，对可设计空间进行拓扑优化。

通过拓扑优化出的结果（图11、图12所示），可以寻找得到壳体的最优结构及加强筋分布合理的概念设计（图13）。

图10 图11 图12 图13 7结论1）产品设计优化时应尽可能获取大的产品设计空间，只有设计空间大，满足设计要求的希望就越大，越容易达到设计目标。

2）采用CAE 拓扑优化的结果虽在显示上还是比较粗糙的，但它提供了产品优化设计材料合理分布的区域，实际的结构还需要考虑很多方面的问题，如成本、工艺等。

3）经过分析比较，经过CAE 拓扑优化设计的新壳体较原壳体在性能上有很大提升，满足了设计要求，说明该方法是可靠合理的，为产品特别是变速器壳体等异形件类优化设计提供了一种有效的方法。

8 参考文献[1] 于开平，周传月，谭惠丰等。

HyperMesh 从入门到精通[M]。

北京：科学出版社，2005（数码工程师系列丛书）[2] 胡纪滨、王杰、周毅。

液压机械变速器箱体有限元分析与改进 [J]。

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