龐強(qiáng)宏，彭海巖

基于拓?fù)鋬?yōu)化的變速器殼體設(shè)計(jì)

龐強(qiáng)宏，彭海巖

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

針對(duì)變速器殼體的設(shè)計(jì)，歸納了變速器殼體的設(shè)計(jì)要求及流程，并在殼體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入拓?fù)鋬?yōu)化法來(lái)指導(dǎo)殼體的設(shè)計(jì)。以某大功率壓裂車(chē)變速器殼體的設(shè)計(jì)為例，基于殼體的設(shè)計(jì)要求及流程設(shè)計(jì)出殼體的初始模型。以變速器殼體的柔度最小化為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，尋求殼體內(nèi)部的最佳傳力路徑，以此來(lái)合理的布置加強(qiáng)筋，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)殼體進(jìn)行修改。最后對(duì)改進(jìn)后的殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)分析的結(jié)果可知，殼體的強(qiáng)度與剛度均滿(mǎn)足工作要求，且重量相比于初始?xì)んw下降25.4%。表明了拓?fù)鋬?yōu)化能夠指導(dǎo)殼體內(nèi)部加強(qiáng)筋的合理布置。

變速器；殼體設(shè)計(jì)；有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化

變速器殼體作為變速器的關(guān)鍵零件之一，為軸系的各零部件提供了運(yùn)動(dòng)空間和安裝位置，確保了零部件之間能夠保持正確的相對(duì)位置關(guān)系[1]。在實(shí)際的變速器設(shè)計(jì)中，殼體的設(shè)計(jì)相比于其他零部件而言是較為困難的，一方面是因?yàn)闅んw的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要包絡(luò)整個(gè)軸系零部件，不能出現(xiàn)與軸系零件干涉的部位，并且要考慮到殼體的工藝要求。另一方面是因?yàn)闅んw的受力復(fù)雜，很難根據(jù)公式計(jì)算出殼體的剛度和強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，為了保證殼體的剛度和強(qiáng)度均能滿(mǎn)足工作要求，殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往比較保守，這便造成了材料的浪費(fèi)及殼體重量的增加[2]，影響變速器的整體性能，因此在殼體的設(shè)計(jì)中引入拓?fù)鋬?yōu)化是非常有工程意義。諸多研究人員對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化方法的工程應(yīng)用[3-4]和變速器殼體的設(shè)計(jì)[5-6]做了很多研究，但很多都是基于已有的變速器殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化及改進(jìn)，很少有從正向設(shè)計(jì)的角度采用拓?fù)鋬?yōu)化方法去指導(dǎo)殼體的設(shè)計(jì)。

本文以某大功率壓裂車(chē)變速器的殼體設(shè)計(jì)為例，基于殼體的設(shè)計(jì)要求及流程，初步設(shè)計(jì)出殼體的主體模型，然后借助于拓?fù)鋬?yōu)化尋求殼體內(nèi)部加強(qiáng)筋的最佳分布位置?；谕?fù)鋬?yōu)化結(jié)果改進(jìn)殼體，最后對(duì)殼體進(jìn)行驗(yàn)證分析，確保改進(jìn)后的殼體能夠滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度要求。

1 殼體的設(shè)計(jì)

1.1 殼體的設(shè)計(jì)要求

變速器的殼體是一種復(fù)雜薄壁零件，包絡(luò)變速器的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，確保了各零部件位于相對(duì)正確的位置。所以在變速器殼體的設(shè)計(jì)中，一般需要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求[6]：

（1）高精度要求，保證變速器內(nèi)部的各個(gè)零部件有一個(gè)準(zhǔn)確的相互位置關(guān)系；

（2）工作要求，變速器殼體在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，要滿(mǎn)足剛度、強(qiáng)度、抗振性等要求；

（3）工藝性要求，殼體的體積大，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工工序多，故要考慮到殼體的機(jī)械加工、安裝固定等工藝問(wèn)題。當(dāng)然，在滿(mǎn)足以上要求的基礎(chǔ)上，還需要降低殼體的整體重量，實(shí)現(xiàn)殼體的輕量化設(shè)計(jì)。

1.2 殼體的設(shè)計(jì)流程

在變速器殼體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該先根據(jù)軸系零件的二維布置圖，采用結(jié)構(gòu)包容法來(lái)確定整個(gè)變速器殼體的基本結(jié)構(gòu)及外觀造型。當(dāng)然，也要考慮外部有關(guān)零部件對(duì)于殼體形狀的限制，如變速器主泵與潤(rùn)滑泵的安裝，機(jī)架對(duì)殼體的連接部位的要求等。殼體連接部位的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的在殼體受力大的部位，最好不要遠(yuǎn)離殼體的受力點(diǎn)。殼體壁厚的確定，其壁厚應(yīng)該盡量均勻一致，且壁厚適中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或參考類(lèi)似殼體的壁厚[7]來(lái)確定。殼體加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)筋主要是能夠顯著的增加殼體局部強(qiáng)度與剛度，但是加強(qiáng)筋布置的難點(diǎn)在于截面尺寸及分布位置的確定。一般根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)筋的寬度可以取為0.5～0.75倍壁厚，高度處于1～5倍壁厚之間。加強(qiáng)筋之間的間距為壁厚的5倍左右。加強(qiáng)筋的分布位置最好位于殼體的變形大、受力大的部位，或者從殼體的約束點(diǎn)到受力點(diǎn)之間去布置。殼體分型面的確定，通常變速器是由多個(gè)半殼體通過(guò)螺栓連接結(jié)合到一起，殼體分型面的確定要從殼體內(nèi)部軸系零件組裝以及殼體鑄造難易程度的角度去考慮。

當(dāng)殼體的主體部位設(shè)計(jì)完畢之后，則要考慮一些殼體的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，比如殼體圓角的設(shè)計(jì)，圓角的設(shè)計(jì)能夠降低殼體出現(xiàn)的應(yīng)力集中以及改善殼體的鑄造性能，故變速器殼體的壁與壁的連接必須要設(shè)計(jì)為圓角，圓角的取值建議在0.5～1倍壁厚之間，當(dāng)然，圓角的取值還要考慮是否會(huì)與周?chē)慵l(fā)生干涉現(xiàn)象。此外，殼體上孔的設(shè)計(jì)，毫無(wú)疑問(wèn)，殼體上開(kāi)孔會(huì)降低其剛度，故開(kāi)孔位置與孔徑大小的決策也是非常重要，一般在箱體受力大的部位不建議開(kāi)孔，即便開(kāi)孔，也要在孔附近增加適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)筋來(lái)增強(qiáng)局部剛度。殼體上小凸臺(tái)的設(shè)計(jì)，因?yàn)樽兯倨鳉んw上要安裝傳感器，控制閥等外置零件，故在殼體適當(dāng)部位設(shè)計(jì)一些小凸臺(tái)，這樣既能減少殼體的加工面，也能增強(qiáng)局部剛度。至于殼體結(jié)合面螺栓的設(shè)計(jì)，螺栓的數(shù)量與螺栓孔的間距較為重要，具體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮殼體的密封與連接可靠性。當(dāng)然，殼體的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)還有很多方面，比如殼體拔模斜度、吸油口、排油口、油道、觀察口、起重吊耳的設(shè)計(jì)等，在此就不作詳細(xì)敘述。

最后，當(dāng)殼體設(shè)計(jì)完畢后，需要借助有限元法對(duì)殼體進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，來(lái)確保變速器在工作時(shí)，其殼體能否滿(mǎn)足要求，即剛度、強(qiáng)度、抗振性、穩(wěn)定性等。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)流程，發(fā)現(xiàn)殼體加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)位置難以確定，如果布置方位不合理，將增加殼體的重量，且對(duì)殼體的剛度及強(qiáng)度沒(méi)有任何改善。故在殼體設(shè)計(jì)的過(guò)程中引入拓?fù)鋬?yōu)化法，以此來(lái)尋求殼體的最佳傳力路徑，在這些部位合理的布置加強(qiáng)筋，可以有效的改進(jìn)殼體的整體性能。

1.3 殼體模型的初步設(shè)計(jì)

根據(jù)上述殼體的設(shè)計(jì)流程，以某大功率壓裂車(chē)變速器為例，進(jìn)行殼體零件的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)軸系零件的二維布局圖，采用結(jié)構(gòu)包容法設(shè)計(jì)出殼體的基本尺寸及外觀造型，其中殼體內(nèi)壁的加強(qiáng)筋暫時(shí)不去設(shè)計(jì)，將該變速器殼體的總體壁厚暫時(shí)取為40 mm（參考類(lèi)似殼體的壁厚是20 mm，另外20 mm壁厚覆蓋了加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)區(qū)域，這塊區(qū)域后續(xù)將借助拓?fù)鋬?yōu)化分析來(lái)確定加強(qiáng)筋的分布位置）。殼體連接部位由于受到壓裂車(chē)車(chē)架的限制，故只能設(shè)計(jì)在右殼體的偏下部位。至于殼體的一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（比如螺栓孔、油道、小凸臺(tái)、起重吊耳等設(shè)計(jì)），初始?xì)んw先不進(jìn)行考慮。因?yàn)樵谶M(jìn)行有限元分析時(shí)，這些細(xì)小特征不會(huì)影響變速器殼體的整體受力計(jì)算，但是這些細(xì)小的特征會(huì)影響網(wǎng)格的質(zhì)量，使得網(wǎng)格發(fā)生嚴(yán)重的畸變現(xiàn)象，降低分析結(jié)果的正確性。將殼體主體部分設(shè)計(jì)完畢之后，在對(duì)殼體的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成殼體的最終設(shè)計(jì)。殼體的初步造型如圖1所示，殼體內(nèi)部沒(méi)有設(shè)置加強(qiáng)筋，殼體從左往右依次是高彈殼體、左殼體、中間殼體、右殼體。

圖1 殼體的初步模型

2 基于有限元分析的殼體設(shè)計(jì)

基于殼體的設(shè)計(jì)原則并結(jié)合有限元分析來(lái)進(jìn)行殼體的設(shè)計(jì)。本文引入拓?fù)鋬?yōu)化法來(lái)尋找殼體內(nèi)部最佳的傳力路徑，以此來(lái)合理的布置加強(qiáng)筋，借助靜力學(xué)分析來(lái)衡量殼體的剛度及強(qiáng)度是否滿(mǎn)足工作要求。

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化方法

結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化原理一般是在給定的優(yōu)化區(qū)域內(nèi)，尋找結(jié)構(gòu)在承受載荷時(shí)最佳的材料分配位置[8]，也即是載荷的傳遞路徑。拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)常應(yīng)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前期，能夠輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高效率，減少盲目的設(shè)計(jì)。當(dāng)前主要的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法有進(jìn)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、水平集法、變厚度法、均勻化方法、變密度法等[9]。其中的變密度法相比于其余優(yōu)化算法，其實(shí)現(xiàn)的途徑較為容易，且運(yùn)算的效率高，故絕大多數(shù)有限元分析軟件中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化，并且應(yīng)用于很多實(shí)際工程問(wèn)題的求解中。

所謂的變密度法，就是假設(shè)有這樣的一類(lèi)單元，其密度與單元材料的楊氏模量之間存在一種函數(shù)關(guān)系，然后將整個(gè)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行離散化，使得這些單元的密度按照0～1分布在拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)優(yōu)化算法控制單元的密度向0或者1兩端收斂。單元密度為0或偏向于0代表材料不重要，可以適當(dāng)?shù)娜コ?，單元密度?或偏向于1代表此處材料非常重要，要進(jìn)行保留或者加強(qiáng)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的分析結(jié)果，能夠幫助設(shè)計(jì)人員確定受載結(jié)構(gòu)的最佳材料分配部位。變密度法以有限元模型離散后的每個(gè)單元密度作為設(shè)計(jì)變量，以有限元模型材料體積為約束條件，以結(jié)構(gòu)的柔度最小化為目標(biāo)函數(shù)，可以建立以下優(yōu)化模型[10]：

2.2 殼體的靜力學(xué)分析

在Workbench中拓?fù)鋬?yōu)化分析是基于靜力學(xué)分析的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。故在對(duì)變速器殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前先要進(jìn)行靜力學(xué)分析。由于該大功率壓裂車(chē)變速器具有6個(gè)檔位，在工作時(shí)，前兩檔位殼體的受力較大，且使用頻率較高，故對(duì)殼體的一檔和二檔進(jìn)行靜力學(xué)分析。

2.2.1 殼體的前處理

本文分析的變速器殼體材料選用鋁合金，具體的材料參數(shù)如表1所示。將材料賦予給殼體模型之后，進(jìn)而對(duì)變速器殼體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，由于變速器殼體外觀造型較為復(fù)雜，且殼體的受力不均勻，很難使用六面體網(wǎng)格去劃分，而四面體網(wǎng)格對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的適應(yīng)性更好，故在此處采用四面體單元Solid 187去劃分，整體網(wǎng)格尺寸取為15 mm，在軸承孔附近的位置進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密，細(xì)化網(wǎng)格質(zhì)量，提高求精精度，劃分完畢后，殼體的有限元模型共具有615595個(gè)單元，970617個(gè)節(jié)點(diǎn)。殼體連接關(guān)系的設(shè)定，各個(gè)殼體是采用螺栓固連在一起，各個(gè)殼體的結(jié)合面之間不能產(chǎn)生任何滑移或分離，故采用Bonded接觸。

表1 鋁合金的材料參數(shù)

2.2.2 變速器殼體的邊界條件與載荷條件

變速器殼體采用三點(diǎn)連接，固定在壓裂車(chē)的車(chē)架上，變速器的右殼體下部分的凸臺(tái)面與車(chē)架之間用螺栓連接，高彈殼體端面與發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭盤(pán)之間用螺栓連接，此處采用固定約束，限制右殼體凸臺(tái)面與高彈殼體端面的所有位移。變速器殼體的載荷條件主要考慮了變速器殼體自身的重力及軸承座處的支反力，忽略了軸系零件的重力，因?yàn)檩S系零件的重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承座處的支反力，故在此不進(jìn)行考慮。對(duì)殼體施加Standard Earth Gravity來(lái)考慮殼體自身的重力，對(duì)各個(gè)軸承孔座施加Bearing Load來(lái)考慮軸承座處的支反力。殼體所受的約束和載荷如圖2所示。

圖2 殼體所受載荷與約束

2.2.3 殼體靜力學(xué)分析結(jié)果

由于此時(shí)的殼體內(nèi)部沒(méi)有設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，殼體的壁厚過(guò)大，故變速器殼體的強(qiáng)度和剛度冗余，滿(mǎn)足工作條件，但是殼體的重量超標(biāo)，有599.16 kg。變速器殼體一檔和二檔的最大應(yīng)力和最大變形如表2所示。

表2 分析結(jié)果

2.3 殼體的拓?fù)鋬?yōu)化分析

2.3.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置

對(duì)變速器殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，可以有效的尋找最佳傳力路徑，確定加強(qiáng)筋的最佳分布位置。首先要確定變速器殼體優(yōu)化的目標(biāo)，本文中將該變速器的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為前兩檔位的柔度最小化。進(jìn)而確定殼體的優(yōu)化區(qū)域與非優(yōu)化區(qū)域，因?yàn)樽?、中、右殼體內(nèi)部沒(méi)有設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，壁厚大于同類(lèi)殼體的壁厚（20 mm），故將左、中、右殼體設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，非優(yōu)化區(qū)域?yàn)楦鱾€(gè)軸承孔內(nèi)表面，殼體間的結(jié)合面、殼體與車(chē)架的連接面及左中右殼體的外表面。最后確定殼體的約束條件，主要有殼體的最大應(yīng)力不得超過(guò)120 MPa，殼體、、三個(gè)方向的變形不超過(guò)0.2 mm，殼體優(yōu)化后的體積為原體積的75%。

2.3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及箱體改進(jìn)

通過(guò)多次的迭代求解，最終殼體的優(yōu)化結(jié)果如圖3（a）、圖4（a）、圖5（a）所示，其中，灰色區(qū)域的單元密度接近于1，代表該部分材料非常重要，不可去除，甚至需要加強(qiáng)；紅色區(qū)域的單元密度接近于0，代表該部分材料不重要，可根據(jù)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)合理的去除。

變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化的分析結(jié)果能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)于殼體內(nèi)部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，但是不可以完全采取其分析結(jié)果，因?yàn)榉治鼋Y(jié)果受限于殼體的加工制造要求，還需設(shè)計(jì)人員根據(jù)殼體的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行合理的改進(jìn)。

本次對(duì)于殼體的改進(jìn)主要有以下四點(diǎn)：

（1）將殼體的壁厚調(diào)整為原來(lái)的壁厚（20 mm）；

（2）在殼體的軸承孔周?chē)O(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋呈米字型布置于軸承孔的周?chē)?/p>

（3）右殼體的側(cè)壁增設(shè)兩根豎筋和兩根橫筋，增加右殼體側(cè)壁的剛度；

（4）在中間殼體的軸承孔附近增設(shè)四條三角筋，增強(qiáng)中間殼體的軸承座處的剛度。

至于設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的截面尺寸和加強(qiáng)筋之間的分布距離根據(jù)前文提到的殼體設(shè)計(jì)流程而定，修改完畢后的殼體如圖3（b）、圖4（b）、圖5（b）所示。

圖3 左殼體的優(yōu)化結(jié)果及改進(jìn)

圖4 中間殼體的優(yōu)化結(jié)果及改進(jìn)

圖5 右殼體的優(yōu)化結(jié)果及改進(jìn)

2.4 改進(jìn)殼體的分析驗(yàn)證及殼體性能評(píng)估

針對(duì)改進(jìn)之后的殼體，再度進(jìn)行靜力學(xué)分析，以驗(yàn)證經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化尋得的加強(qiáng)筋分布位置是否合理以及殼體的整體性能是否已經(jīng)滿(mǎn)足工作要求，具體的設(shè)置與前面的操作類(lèi)似。分析的結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 一檔分析云圖

圖7 二檔分析云圖

根據(jù)圖6（a）和圖7（a）的變形云圖，分析可以得知，改進(jìn)之后的殼體在一檔和二檔的最大變形分別是0.17 mm和0.20 mm，相比于初始?xì)んw的最大變形略微有所增加，但是其變形量是在殼體允許的變形范圍內(nèi)，故該變速器殼體的剛度能夠滿(mǎn)足工作要求。根據(jù)圖6（b）和圖7（b）的應(yīng)力云圖，分析可以得知，改進(jìn)后殼體在一檔和二檔的最大應(yīng)力分別為47.8 MPa和75.5 MPa，該應(yīng)力值小于變速器殼體材料（鋁合金）的屈服強(qiáng)度（280 MPa），根據(jù)第四強(qiáng)度理論判斷，該殼體的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。初始?xì)んw的質(zhì)量為599.16 kg，修改后殼體的質(zhì)量為446.63 kg，質(zhì)量下降25.4%，殼體的減重效果明顯。

3 結(jié)論

變速器殼體的剛強(qiáng)度與殼體的重量是相矛盾的，二者不可兼得。殼體的壁厚越厚，質(zhì)量越大，則其強(qiáng)度和剛度越好。反之，則其強(qiáng)度和剛度越差。如何衡量二者的取舍非常重要。借助于有限元分析可以評(píng)估殼體的剛度和強(qiáng)度，在滿(mǎn)足剛強(qiáng)度的要求下，盡可能的降低殼體的質(zhì)量。

拓?fù)鋬?yōu)化分析能夠應(yīng)用于殼體設(shè)計(jì)的前期，輔助設(shè)計(jì)人員尋找最優(yōu)加強(qiáng)筋的分布位置，避免盲目的設(shè)計(jì)。將拓?fù)鋬?yōu)化與殼體的設(shè)計(jì)原則結(jié)合在一起，能夠更好的完成變速器殼體的設(shè)計(jì)。

[1]沈偉，廖敏，王強(qiáng)，等. 基于拓?fù)鋬?yōu)化的變速器殼體輕量化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（4）：234-241.

[2]張喜清，項(xiàng)昌樂(lè)，劉輝. 多工況下變速箱箱體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2011，22（15）：1779-1783.

[3]張璐，楊洋，李嘉豪，等. 基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的機(jī)床立柱輕量化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2019，46（12）：42-46.

[4]毛璐瑤，梁瀾之，陳浩，等. 基于尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化的超大型壓鑄機(jī)壓射支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2019，46（6）：42-48，65.

[5]張廷浩，王昱，鄭銳禹，等. 農(nóng)用拖拉機(jī)變速器箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（6）：240-245.

[6]金陽(yáng). 電動(dòng)車(chē)2AT變速箱殼體拓?fù)鋬?yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 時(shí)代汽車(chē)，2018（12）：93-94.

[7]林鳳濤. 變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（5）：24-25.

[8]朱劍峰，林逸，陳瀟凱，等. 汽車(chē)變速器殼體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013，43（3）：584-589.

[9]尹艷山. 基于變密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2014.

[10]秦東晨，王然然，趙鶴鳴. 起重機(jī)箱形梁靜剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（2）：14-17，21.

Design of Transmission Housing Based on Topology Optimization

PANG Qianghong，PENG Haiyan

(School of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

This article summarizes the design requirements and process of the transmission housing, and introduces the topology optimization method to provide guidance for the design of the housing during the design of the housing. Taking the design of a transmission housing of a high-power fracturing vehicle as an example, the initial model of the housing is designed based on the design requirements and process of the housing. With the optimization goal of minimizing the flexibility of the transmission housing, the topology optimization analysis of the housing is carried out to find the optimal force transmission path inside the housing is sought, so as to reasonably arrange the reinforcement ribs and modify the housing according to the topology optimization results. Finally, the statics analysis of the improved housing is carried out. According to the results of the analysis, the strength and stiffness of the housing meet the working requirements, and the weight is reduced by 25.4% compared with the initial housing. It shows that the topology optimization can provide guidance for the reasonable arrangement of the ribs inside the housing.

transmission；housing design；finite element analysis；topology optimization

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.003

1006－0316 (2021) 04－0013－07

2020－11－23

校企聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目：油氣開(kāi)采壓裂車(chē)變速箱開(kāi)發(fā)（19H0193）

龐強(qiáng)宏（1995－），男，甘肅隴南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，E-mail：fqzzszh@163.com。