OptiStruct在變速器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

OptiStruct在變速器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
史元元1,2,劉玉蒙1,2,冉昭1,2
( 1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心
2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心 )

摘 要: 為了縮短變速器殼體設(shè)計(jì)周期，提高殼體的性能，并實(shí)現(xiàn)殼體輕量化的目標(biāo)。結(jié)合現(xiàn)有結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，不斷地對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，使殼體材料分布達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。本文主要利用Altair OptiStruct 軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)給定的邊界條件、約束條件和目標(biāo)值，結(jié)合變速器實(shí)際工況與殼體制造工藝方法，完成殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)殼體減重1.5Kg,解決局部等效應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度問(wèn)題，并使一階模態(tài)達(dá)到1000以上的目標(biāo)。

概 述

近些年來(lái)，節(jié)能減排降油耗已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，零部件的輕量化設(shè)計(jì)成為各個(gè)車(chē)企實(shí)現(xiàn)降低油耗的重要措施之一。通過(guò)降低汽車(chē)本身的重量，提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約能耗、減少污染。我司設(shè)計(jì)人員在不影響汽車(chē)的安全性、抗振性以及舒適性的工況下，利用拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)變速器殼體及零部件進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)，既保證了良好使用性能，又實(shí)現(xiàn)了變速器殼體輕量化設(shè)計(jì)。

機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)展于概念設(shè)計(jì)早期，主要研究結(jié)構(gòu)材料布局，由于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果決定了產(chǎn)品的最優(yōu)拓?fù)?，即決定了產(chǎn)品的最終形狀與性能，因此在殼體輕量化設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，可以在很大程度上保證殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，后續(xù)的尺寸和形狀優(yōu)化是在材料分布最優(yōu)初始拓?fù)湫问较逻M(jìn)行的，能夠極大提高材料利用率。

優(yōu)化前模型的確認(rèn)

1殼體材料屬性
該變速器殼體的材料為鑄鋁，并采用高壓鑄造工藝，其彈性模量E=72GPa，泊松比μ=0.3，密度為ρ=2.7╳103Kg/m3，屈服強(qiáng)度為160MPa，抗拉極限為270MPa。

2工況及加載驗(yàn)證
本文綜合考慮了殼體的剛度曲線(xiàn)、箱內(nèi)軸的擾度、齒輪參數(shù)等因素，依據(jù)力的平衡和力偶平衡，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩計(jì)算出在不同擋位時(shí)殼體上各個(gè)軸承座處受的載荷（力和力矩）。
首先通過(guò)OptiStruct軟件完成優(yōu)化前殼體模型的仿真分析。主要對(duì)其質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析確認(rèn)，確保殼體優(yōu)化前后性能不變，同時(shí)為優(yōu)化提供目標(biāo)值與約束值。

優(yōu)化原模型





通過(guò)仿真分析得到，殼體的等效應(yīng)力為180MPa，大于殼體材料的屈服強(qiáng)度，一階模態(tài)為680Hz小于1000Hz，故原模型在性能上不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化模型的建立

1可設(shè)計(jì)空間的提取

首先對(duì)變速器殼體的可設(shè)計(jì)空間進(jìn)行提取，盡量使殼體在進(jìn)行優(yōu)化前的模型最大程度的充滿(mǎn)設(shè)計(jì)空間，并且保證殼體與內(nèi)外零部件的動(dòng)靜態(tài)連接關(guān)系，避免發(fā)生干涉，影響到內(nèi)外零部件的安裝與工作，除此之外拓?fù)鋬?yōu)化使用的模型應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的制造工藝性，避免后期無(wú)法加工制造的問(wèn)題。對(duì)原模型進(jìn)行可設(shè)計(jì)空間提取，給出優(yōu)化前最大材料可利用空間，具體如圖所示。



減速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型

2優(yōu)化模型加載及優(yōu)化設(shè)置

與優(yōu)化前殼體模型相同，對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行加載，并在加載后完成變量、優(yōu)化響應(yīng)、約束和目標(biāo)值得建立。本次優(yōu)化將殼體優(yōu)化模型根據(jù)加工制造工藝可行性問(wèn)題的要求分為多個(gè)子優(yōu)化空間進(jìn)行變量的設(shè)置，使優(yōu)化結(jié)果更便于加工制造。

將優(yōu)化區(qū)域中每個(gè)子區(qū)域分別設(shè)置為變量，根據(jù)不同部位設(shè)計(jì)使用不同的拔模方向，循環(huán)對(duì)稱(chēng)數(shù)等加工制造約束。
在優(yōu)化過(guò)程中，模型響應(yīng)將會(huì)直接影響到優(yōu)化結(jié)果是否合理，是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本次優(yōu)化模型響應(yīng)選擇的是體積分?jǐn)?shù)，靜態(tài)位移，靜態(tài)應(yīng)力、頻率和柔度，在此需要指出的是，由于本次為靜動(dòng)態(tài)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，采用的柔度響應(yīng)為組合柔度指數(shù)。



非優(yōu)化區(qū)域



優(yōu)化區(qū)域

3優(yōu)化結(jié)果
對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的殼體，我們一般通過(guò)兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，第一步通過(guò)簡(jiǎn)單的工程制造約束參數(shù)設(shè)置，分析得到殼體表面基本的結(jié)構(gòu)；第二步通過(guò)細(xì)致的工藝制造約束參數(shù)的設(shè)置，得到殼體表面加強(qiáng)筋的布置結(jié)果，最終兩者相結(jié)合，得到符合設(shè)計(jì)要求且性能良好且美觀(guān)的殼體結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真計(jì)算與模型的的調(diào)整，最終得到優(yōu)化結(jié)果云圖如圖所示：



① 1擋工況優(yōu)化結(jié)果；②2擋工況優(yōu)化結(jié)果
③1擋反拖優(yōu)化結(jié)果；④所有工況綜合優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)上圖的對(duì)比可以看出，單一擋位重點(diǎn)部位材料的布局形式在多擋位結(jié)合是材料的布局上均有體現(xiàn)，因此為了得到良好的剛度、強(qiáng)度、NVH性能，通常我們會(huì)以多擋位工況結(jié)合的優(yōu)化結(jié)果作為殼體整體的分布，但是拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果通常只是作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方向，因?yàn)閮?yōu)化結(jié)果大多比較粗糙（如殼體壁厚尺寸過(guò)大或部分材料的缺失），因此這僅能作為參考。

優(yōu)化后殼體設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析
1優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)優(yōu)化后結(jié)果與殼體設(shè)計(jì)原則[5]通過(guò)3D建模軟件完成殼體的優(yōu)化后模型的建立，模型如所示：



2結(jié)果分析驗(yàn)證
在完成殼體再設(shè)計(jì)之后，需對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析驗(yàn)證，主要從質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度三方面進(jìn)行驗(yàn)證并與原方案對(duì)比。



①殼體最大主應(yīng)力云圖



②殼體等效應(yīng)力云圖



③殼體一階模態(tài)振型



通過(guò)過(guò)上表對(duì)比，可以得到，本次優(yōu)化后殼體質(zhì)量比原模型減少了1.85Kg，等效應(yīng)力為110MPa小于原殼體模型的等效應(yīng)力170MPa，一階模態(tài)為1048Hz達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此本次優(yōu)化在在提升了殼體原有性能的前提下實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

結(jié) 論
1、通過(guò)OptiStruct軟件完成了殼體強(qiáng)量化要求，減重1.85Kg，實(shí)現(xiàn)了公司減重目標(biāo)。
2、通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)提高了材料的利用率，減少冗余復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而降低材料成本；同時(shí)保證了殼體工藝制造的最佳工藝性，提高了模具使用壽命，降低模具成本；
3、在殼體設(shè)計(jì)初期充分考慮殼體結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、模態(tài)等方面，避免重復(fù)修改等大量工作，有助于提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，縮短了殼體開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本；
4、本文未考慮殼體噪音問(wèn)題，將結(jié)合后期相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)殼體噪音質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行提高改善。

2018年8月30-31日，2018 Altair 結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化技術(shù)暨OptiStruct用戶(hù)大會(huì)將在青島舉行。
8月30日為全體大會(huì)，將由各行業(yè)專(zhuān)家分享主題報(bào)告；8月31日設(shè)置分會(huì)場(chǎng)，包含汽車(chē)及地面交通、航空航天、電子電器、能源與重工、白色家電等專(zhuān)題，技術(shù)內(nèi)容將涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性、噪聲和振動(dòng)、動(dòng)力總成系統(tǒng)疲勞、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、熱傳遞分析和復(fù)合材料等。
會(huì)議同期還將舉辦PBS Works用戶(hù)大會(huì)，將就HPC最新技術(shù)和趨勢(shì)、HPC管理套件在業(yè)務(wù)流程中的位置探討、公有云應(yīng)用等方面開(kāi)展深入交流。