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1、機械工程師MECHANlCALENGlNEER拓撲優(yōu)化技術在變速器殼體設計中的應用彭幫亮，陳偉。姬騰飛。劉偉宏(安徽江淮汽車股份有限公司，合肥230601)摘要：首先介紹變速器殼體設計面臨的輕量化要求及拓撲優(yōu)化技術的原理，重點闡述了在概念設計結束之后，利用有限元和拓撲優(yōu)化技術對變速器殼體進行詳細設計的流程和方法，最后展示了通過優(yōu)化后的設計方案及FEM分析結果。關鍵詞：變速器殼體：拓撲優(yōu)化．輕量化，OptiStructFEM中圖分類號：U463．212文獻標志碼：A文章編號：1002-2333(2016)03—01682040引言變速器殼體在變速器總成中主要起到支撐、
2、包絡和密封的作用，殼體功能決定了具有大體積、大重量的特征，同時要求其具有較高的結構強度、剛度及良好的NVH特性?，F(xiàn)階段針對殼體方案的設計，更多的是利用工程師的設計經(jīng)驗及對標數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，為保證滿足技術及使用要求，往往會造成局部特征冗余，增加整機的重量目標控制風險。在輕量化設計的重要性日趨凸顯的大環(huán)境下，本文利用AltairOptiStruct軟件開展拓撲優(yōu)化在變速器殼體設計中的應用工作，以期為變速器殼體的輕量化設計提供一種可靠的解決方案。1拓撲優(yōu)化技術簡介J．J拓撲優(yōu)化技術拓撲優(yōu)化技術是結構優(yōu)化技術中有前景、具有創(chuàng)新性的技術，是指在給定的設計空間內找到最佳的材料分布，
3、或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設計。AltairOptiStruct是公認優(yōu)化算法穩(wěn)健、優(yōu)化類型全面、工程實用價值大的商用拓撲優(yōu)化軟件。拓撲優(yōu)化中常用的拓撲表達形式和材料插值模型方法有：均勻化方法(HomogenizationMethod)、密度法(如各向正交懲罰材料密度法，即SIMP，SohdIsotropicMaterial(Density)”作為設計變量。該“單元密度”同結構的材料參數(shù)有關(單元密度與材料彈性模量E之間具有某種函數(shù)關圖1拓撲優(yōu)化技術原理示意系)，01之間連續(xù)取值，優(yōu)化求解后單元密度為1(或接近1)表示該單元位置處的材料很
4、重要，需要保留；單元密度為0(或接近0)表示該單元處的材料不重要，可以去除，從而達到材料的高效率利用，實現(xiàn)輕量化設計。如圖1所示，兩端簡支的垂直放置平板在受力作用下，當給定右下方的p—E曲線關系時，優(yōu)化后的黑色的單元(單元密度接近1)的材料組成了傳力路徑在設計中要保留，而灰色的單元(單元密度接近0)的材料則可以去除。若以結構的柔順度(變形能)最小為目標，考慮材料體積約束(質量約束)，則拓撲優(yōu)化的數(shù)學模型為：withPenalizationModel)、變厚度法、拓撲函數(shù)描述方法。p=X。po，J．2單元密度法KF(x。)叫b，OptiStruct拓撲優(yōu)化的材料模式采
5、用密度法(SIMP方fin嘏=(X，，x：，咒，??X。)7，法)，即將有限元模型設計空間的每個單元的“單元密度MinC=FTD，差值與溫度差值流程如圖8所示。連接處，最大應力值約為500MPa，該溫度下的許用應力3)施加位移約束、對稱邊界條件及插值的溫度和壓為512MPa，可以滿足材料的許用要求。力，提交求解(如圖9～圖11o3結論4)施加位移約束、對稱邊界條件及穩(wěn)態(tài)壓力，提交求通過對超臨界空冷機組流固耦合的計算分析，可見，解(如圖12、圖13)。這種方法的計算結果合理且可靠，可為噴嘴的設計及安2計算結果分析全運行提供參考。流固耦合計算的應力分布合理，且流場的壓力
6、及溫度分布，與熱力參數(shù)能夠較好地吻合，結果可靠。流固耦合方法計算的結構應力最大出現(xiàn)在噴嘴組葉片與內環(huán)的(編輯明濤)作者簡介：黨ee(1980一)，女，工程師，從事汽輪機結構設計工作。收稿日期：2015—1l一12168l2016年第4期網(wǎng)址：wwwjxgcs．com電郵hrbengineer@163com機械工程師MECHANICAII：：NGINFl：lqs．t．V≤Vo．0d?！躕?！?，阽肋。式中：兄為每個單元的相對密度；p曲設計域里的每個單元的固有密度；p為拓撲設計變量；疋為單元的剛度；Ko蔓7單元的固有剛度；助懲罰因子；X。為單元相對密度的下限；V為結構充
7、滿材料的體積；y0為結構設計域的體積；助結構的外載荷；助結構的總體剛度矩陣；D為結構的位移。2變速器殼體的拓撲優(yōu)化設計2．，優(yōu)化區(qū)域劃分2．1．1非設計區(qū)域定義在變速器產品設計階段，根據(jù)內部齒軸傳動系統(tǒng)、換擋系統(tǒng)、駐車裝置、液壓控制系統(tǒng)、離合器系統(tǒng)等分總成的包絡空間以及發(fā)動機艙的外圍布置空間，在符合鑄造工藝性、機加工工藝性、裝配工藝性等要求的前提下，初步包絡出變速器殼體的最小本體3D模型，即為本文中所定義的非設計區(qū)域。如圖2所示。上述方案中包含了變速器殼體系統(tǒng)所需的所有功能性特征，以及用于鑄造成型的拔模角度、圓角特征、分型線特征等，不包含任何能改善方案結構強度、
