OptiStruct在变速器壳体优化设计中的应用

OptiStruct在变速器壳体优化设计中的应用
史元元1,2,刘玉蒙1,2,冉昭1,2
( 1.长城汽车股份有限公司技术中心
2.河北省汽车工程技术研究中心 )

摘 要: 为了缩短变速器壳体设计周期，提高壳体的性能，并实现壳体轻量化的目标。结合现有结构优化方法，不断地对模型进行优化分析，使壳体材料分布达到最优状态。本文主要利用Altair OptiStruct 软件中的拓扑优化，根据给定的边界条件、约束条件和目标值，结合变速器实际工况与壳体制造工艺方法，完成壳体的优化设计，实现壳体减重1.5Kg,解决局部等效应力超过屈服强度问题，并使一阶模态达到1000以上的目标。

概 述
近些年来，节能减排降油耗已经成为汽车行业发展的大趋势，零部件的轻量化设计成为各个车企实现降低油耗的重要措施之一。通过降低汽车本身的重量，提高汽车的燃油经济性、节约能耗、减少污染。我司设计人员在不影响汽车的安全性、抗振性以及舒适性的工况下，利用拓扑优化方法，对变速器壳体及零部件进行优化再设计，既保证了良好使用性能，又实现了变速器壳体轻量化设计。
机构拓扑优化设计，开展于概念设计早期，主要研究结构材料布局，由于拓扑优化的结果决定了产品的最优拓扑，即决定了产品的最终形状与性能，因此在壳体轻量化设计中大量应用拓扑优化技术，可以在很大程度上保证壳体结构设计，后续的尺寸和形状优化是在材料分布最优初始拓扑形式下进行的，能够极大提高材料利用率。

优化前模型的确认

1壳体材料属性
该变速器壳体的材料为铸铝，并采用高压铸造工艺，其弹性模量E=72GPa，泊松比μ=0.3，密度为ρ=2.7╳103Kg/m3，屈服强度为160MPa，抗拉极限为270MPa。

2工况及加载验证
本文综合考虑了壳体的刚度曲线、箱内轴的扰度、齿轮参数等因素，依据力的平衡和力偶平衡，依据发动机输出扭矩计算出在不同挡位时壳体上各个轴承座处受的载荷（力和力矩）。
首先通过OptiStruct软件完成优化前壳体模型的仿真分析。主要对其质量、强度、刚度进行分析确认，确保壳体优化前后性能不变，同时为优化提供目标值与约束值。



优化原模型



通过仿真分析得到，壳体的等效应力为180MPa，大于壳体材料的屈服强度，一阶模态为680Hz小于1000Hz，故原模型在性能上不满足设计要求。

优化模型的建立

1可设计空间的提取
首先对变速器壳体的可设计空间进行提取，尽量使壳体在进行优化前的模型最大程度的充满设计空间，并且保证壳体与内外零部件的动静态连接关系，避免发生干涉，影响到内外零部件的安装与工作，除此之外拓扑优化使用的模型应满足结构的制造工艺性，避免后期无法加工制造的问题。对原模型进行可设计空间提取，给出优化前最大材料可利用空间，具体如图所示。



减速器壳体拓扑优化模型

2优化模型加载及优化设置
与优化前壳体模型相同，对优化模型进行加载，并在加载后完成变量、优化响应、约束和目标值得建立。本次优化将壳体优化模型根据加工制造工艺可行性问题的要求分为多个子优化空间进行变量的设置，使优化结果更便于加工制造。
将优化区域中每个子区域分别设置为变量，根据不同部位设计使用不同的拔模方向，循环对称数等加工制造约束。
在优化过程中，模型响应将会直接影响到优化结果是否合理，是否满足设计要求。本次优化模型响应选择的是体积分数，静态位移，静态应力、频率和柔度，在此需要指出的是，由于本次为静动态相结合的结构拓扑优化，采用的柔度响应为组合柔度指数。



非优化区域



优化区域

3优化结果

对于具有复杂结构的壳体，我们一般通过两个方面对其进行优化设计，第一步通过简单的工程制造约束参数设置，分析得到壳体表面基本的结构；第二步通过细致的工艺制造约束参数的设置，得到壳体表面加强筋的布置结果，最终两者相结合，得到符合设计要求且性能良好且美观的壳体结构。通过仿真计算与模型的的调整，最终得到优化结果云图如图所示：



① 1挡工况优化结果；②2挡工况优化结果
③1挡反拖优化结果；④所有工况综合优化结果

通过上图的对比可以看出，单一挡位重点部位材料的布局形式在多挡位结合是材料的布局上均有体现，因此为了得到良好的刚度、强度、NVH性能，通常我们会以多挡位工况结合的优化结果作为壳体整体的分布，但是拓扑优化结果通常只是作为结构设计的指导方向，因为优化结果大多比较粗糙（如壳体壁厚尺寸过大或部分材料的缺失），因此这仅能作为参考。

优化后壳体设计与验证分析

1优化结果
根据优化后结果与壳体设计原则[5]通过3D建模软件完成壳体的优化后模型的建立，模型如所示：



2结果分析验证
在完成壳体再设计之后，需对优化后的模型进行分析验证，主要从质量、强度、刚度三方面进行验证并与原方案对比。



①壳体最大主应力云图



②壳体等效应力云图



③壳体一阶模态振型



通过过上表对比，可以得到，本次优化后壳体质量比原模型减少了1.85Kg，等效应力为110MPa小于原壳体模型的等效应力170MPa，一阶模态为1048Hz达到设计目标，因此本次优化在在提升了壳体原有性能的前提下实现了轻量化设计。

结 论
1、通过OptiStruct软件完成了壳体强量化要求，减重1.85Kg，实现了公司减重目标。
2、通过拓扑优化设计提高了材料的利用率，减少冗余复杂结构，从而降低材料成本；同时保证了壳体工艺制造的最佳工艺性，提高了模具使用寿命，降低模具成本；
3、在壳体设计初期充分考虑壳体结构的刚度、强度、模态等方面，避免重复修改等大量工作，有助于提高设计人员的工作效率，缩短了壳体开发周期，降低开发成本；
4、本文未考虑壳体噪音问题，将结合后期相应标准，对壳体噪音质量问题进行提高改善。