姜志明

Jiang Zhiming

（上海汽車變速器有限公司 產(chǎn)品工程部，上海 201800）

0 引 言

變速器殼體為變速器的關(guān)鍵零件，其內(nèi)安裝著變速器齒輪、軸、軸承等重要零部件，通過殼體使變速器固定到整車上。變速器工作時，變速器殼體承擔著極其復雜的載荷，又因變速器殼體本身的結(jié)構(gòu)形狀復雜，使得受力分析復雜，對于結(jié)構(gòu)強度不好的殼體，想通過人工計算優(yōu)化出合理的結(jié)構(gòu)形狀，是很難實現(xiàn)的事。通過目前成熟的CAE分析可以解決這一問題，它通過拓撲優(yōu)化方法能夠在給定的設(shè)計空間內(nèi)尋求最佳的材料分布，可采用殼單元或者實體單元來定義設(shè)計空間，并用Homogenization（均質(zhì)化）和Density（密度法）方法來定義材料流動規(guī)律。通過Optistruct中先進的近似法和可靠的優(yōu)化方法，可以搜索到最優(yōu)的加載路徑設(shè)計方案。此外，利用Optistruct軟件包中的OSSmooth工具，可以將拓撲優(yōu)化結(jié)果生成為IGES等格式的文件，以便在CAD系統(tǒng)中方便地輸入。

1 變速器殼體工況

變速器殼體在懸置考核時，需承受31個工況考核要求，其中25（rev rock cycle torque反向搖晃循環(huán)轉(zhuǎn)矩）、30（extreme dynamic forward torque，動態(tài)向前轉(zhuǎn)矩）、31（extreme dynamic reverse torque，極端動態(tài)反向轉(zhuǎn)矩）3個工況以離合器殼體通過與發(fā)動機連接作為約束，通過給安裝變速器離合器殼體的轉(zhuǎn)矩支撐架及安裝于離合器殼體的支撐架施加力（如圖1所示），分析結(jié)果顯示在該變速器離合器殼體的通風窗口區(qū)域主應(yīng)力超差（如圖2所示），為此需對該殼體進行優(yōu)化設(shè)計以滿足綜合應(yīng)力要求。該區(qū)域各工況應(yīng)力大小如表 1所示。

表1 工況應(yīng)力

2 變速器殼體優(yōu)化空間的建立與驗證

2.1 變速器殼體優(yōu)化空間的實體三維建立

變速器離合器殼體通風窗口區(qū)域處因受安裝限制，直接建立優(yōu)化空間受到限制，必須另找優(yōu)化空間。結(jié)合裝配加工等情況，依次在原設(shè)計產(chǎn)品（圖 3）上建立不可設(shè)計空間（圖 4）、可設(shè)計空間（圖5）及組合三維（圖6）。

2.2 變速器殼體優(yōu)化空間有限元模型的建立

2.3 變速器殼體優(yōu)化空間的驗證

可設(shè)計空間除了滿足變速器安裝性能外還必須保證優(yōu)化后殼體的應(yīng)力達到殼體考核目標值，因此，須對包括整個設(shè)計空間在內(nèi)的實體考慮后，對應(yīng)力分析進行一次評估，只有通過評估后的優(yōu)化空間才有優(yōu)化意義。經(jīng)過分析計算，加上設(shè)計空間范圍處的窗口的各應(yīng)力如表2所示。

表2 加設(shè)計空間工況應(yīng)力

通過表2顯示，較差的31工況其主應(yīng)力仍有30MPa應(yīng)力可變動空間，別的工況設(shè)計應(yīng)力可變動空間更大，可見此設(shè)計空間的定義是合理的。

3 變速器殼體優(yōu)化空間有限元模型邊界條件等的建立

3.1 添加材料

創(chuàng)建出各相連接的金屬材料，可參考手冊等。

3.2 設(shè)置屬性

劃分優(yōu)化區(qū)域及非設(shè)計區(qū)域，因為拓撲優(yōu)化區(qū)域是由屬性來識別的，所以通過多個屬性可區(qū)分設(shè)計及非設(shè)計區(qū)域，文中將所示的大塊設(shè)置為設(shè)計區(qū)域，其他為非設(shè)計區(qū)域。

3.3 連接關(guān)系建立

使用 RBE2單元將離合器殼、主殼體、發(fā)動機殼體等相關(guān)工作零部件連接起來。

3.4 建立邊界條件

根據(jù)發(fā)動機的工況，對發(fā)動機進行六自由度的全約束。

3.5 施加載荷

根據(jù)25、30、31工況分別給相關(guān)零件施加載荷。

3.6 建立工況

利用上兩步所創(chuàng)建出的邊界條件及載荷分別組合起來創(chuàng)建出25、30、31三種工況。

3.7 建立拓撲優(yōu)化變量

進入Optimization 模塊Topology 菜單選擇設(shè)計區(qū)域?qū)傩?，類型選擇 PSOLID 創(chuàng)建優(yōu)化變量，進入Draw 面板設(shè)置拔模方式為SPLIT，選擇從中心面往外兩側(cè)拔模，如圖 8所示，Obstacle 選擇非設(shè)計區(qū)域?qū)傩浴?/p>

經(jīng)過治療后,對照組患者的臨床治療有效率是60%,觀察組患者的臨床治療有效率是96%,兩組患者的臨床治療有效率對比存在統(tǒng)計學差異性(P<0.05)。

3.8 建立優(yōu)化響應(yīng)

進入 Response 面板分別建立類型為Volumefrac、Weighted Comp的連個相應(yīng)，其中Weighted Comp 在 Loadstep 中將 25、30、31三種工況都選中且權(quán)重均衡。

3.9 建立優(yōu)化約束

進入 Dconstraints 面板選擇上一步所建立的類型為Volumefrac 的響應(yīng)，設(shè)置其上限值0.3。

3.10 建立優(yōu)化目標

進入Objective 面板，選擇第3.8步驟所創(chuàng)建的類型為Weighted Comp 的響應(yīng)設(shè)置其目標為最小。

3.11 提交求解

保存 .fem 文件，設(shè)置合適的內(nèi)存空間后調(diào)用OptiStruct 解算器進行求解。

3.12 優(yōu)化結(jié)果后處理

經(jīng)過4步的迭代，結(jié)果收斂。打開HyperView查看結(jié)果，將單元密度閥值設(shè)置為0.3，結(jié)果如圖10所示。

返回HyperMesh窗口，在后處理Post 面板將第4步結(jié)果讀入，并使用OSSmooth 命令將優(yōu)化后的單元格光順成ISO 曲面，ISO 曲面閥值同樣取0.3。

4 變速器殼體模型再建

4.1 模型再建

參考輸出的結(jié)果曲面，利用CAD 軟件重建三維模型，如圖11及圖12所示。

4.2 重建后的模型驗證

4.2.1 三種工況下力學性能對比驗證如表3所示。

表3 對比驗證

4.2.2 模態(tài)分析驗證

分別對優(yōu)化前及優(yōu)化后整個變速器殼體組件約束后進行模態(tài)分析，優(yōu)化前及優(yōu)化后模型的前三階振形對應(yīng)的固有頻率如表 4所示，可見優(yōu)化后模型其剛度值有提高。

表4 優(yōu)化前后前三階固有頻率對比

5 變速器殼體拓撲優(yōu)化技術(shù)推廣

變速器殼體概念設(shè)計時，可將變速器殼體的軸承等基本的特征建立，并建立好齒軸相關(guān)的安裝空間，將這些建好的特征作為不可設(shè)計空間，再建立大的區(qū)域作為可設(shè)計空間（圖 13所示）。根據(jù)變速器的工況作為輸入條件進行約束，對可設(shè)計空間進行拓撲優(yōu)化。通過拓撲優(yōu)化出的結(jié)果（圖14、圖15所示），可以尋找得到殼體的最優(yōu)結(jié)構(gòu)及加強筋分布合理的概念設(shè)計（圖16）。

6 結(jié) 論

1）產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化時應(yīng)盡可能獲取大的產(chǎn)品設(shè)計空間，只有設(shè)計空間大，滿足設(shè)計要求的希望就越大，越容易達到設(shè)計目標。

2）采用 CAE拓撲優(yōu)化的結(jié)果雖在顯示上還是比較粗糙的，但它提供了產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計材料合理分布的區(qū)域，實際的結(jié)構(gòu)還需要考慮很多方面的問題，如成本、工藝等。

3）經(jīng)過分析比較，經(jīng)過 CAE拓撲優(yōu)化設(shè)計的新殼體較原殼體在性能上有很大提升，滿足設(shè)計要求，說明該方法是可靠合理的，為產(chǎn)品特別是變速器殼體等異形件類優(yōu)化設(shè)計提供了一種有效的方法。

[1]于開平，周傳月，譚惠豐，等.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005.

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