变速箱壳体拓扑优化分析
上一章节对变速箱壳体结构进行了一档和倒挡工况下的受力分析，并将受力分析结构作为强度分析的载荷输入条件，对变速箱壳体结构进行了强度分析，因为一档和倒挡工况下结构传递载荷较大，所以本章节采用一档和倒挡的两个工况下的强度分析结果进行拓扑优化分析，即进行多工况下的变速箱壳体拓扑优化分析，在Workbench中的分析流程图如下所示。诉求对象
图3.2 多工况下的拓扑优化分析流程
首先建立拓扑优化分析用网格模型，本文采用变密度法进行拓扑优化分析，变密度法通过给网格单元赋予不同的密度来实现材料的去除，所有变速箱壳体结构的网格模型对计算结果影响较大，要求网格划分尽量的密，厚度方向上不少于一层网格。变速箱壳体结构的整体网格尺寸设置为3mm，倒角区域最小网格尺寸设置为0.5mm，最终的有限元网格模型如下所示，其中网格总数为1555702。
图3羊毛纸.3 变速箱壳体结构有限元网格模型
变速箱壳体结构在一档和倒挡工况下的载荷约束条件同第二章中所述，基于一档和倒挡两个分析工况进行拓扑优化分析，首先定义拓扑优化区域，考虑到变速箱壳体结构需要与其他部件进行装配连接，所以变速箱壳体结构所有装配连接区域都不参与优化，所有与轴承配合区域，变速箱壳体上下盖配合区域，螺栓连接区域都被排除出优化区域，如图3.4所示，红区域不参与拓扑优化，蓝区域参与拓扑优化。
图3.4 拓扑优化区域定义
优化方法采用Density Based，优化目标函数为一档和倒挡工况下结构柔度最小，即刚度最大。
图3.5 优化目标函数定义
优化的响应约束条件为保留80%的质量，即去除20%的质量，对变速箱壳体结构进行轻量化优化设计。
中文期刊全文数据库
图3.6 去除质量约束条件
为保证优化后变速箱壳体结构能保证足够强度，另外添加了全局最大等效应力的响应约束函数，变速箱壳体结构的材料屈服极限为170MPa,安全系数取1.2，结构的许用应力为141.7MPa,如图3.6所示，对所有优化区域设置在一档和倒挡工况下，结构全局最大等效应力不超过141.7MPa的响应约束函数。
图3.6 全局等效应力响应约束函数
考虑到优化后结构能够进行方便进行加工生产，避免内部掏空，底切等不利于加工生产的优化结果产生，对变速箱壳体结构的拓扑优化施加了Pull螺杆启闭机 Out Direction的制造约束条件，如图3.7所示，变速箱壳体结构基于图中箭头所示方向进行去除材料，避免出现内部掏空的拓扑优化分析结果。同时避免拓扑优化后出现过小或者过大的几何特征，不利于加工产生，还施加了最小和最大元件尺寸制造约束条件，具体尺寸大小基于程序选择，软件会根据具体模型情况进行分析计算。
图3.7 Pull Out Direction地震烈度的制造约束条件
基于上文所述设置，对变速箱壳体结构进行拓扑优化分析，拓扑优化分析的收敛曲线如下图所示，最终分析结果正常收敛。
图3.8 拓扑优化收敛曲线
拓扑优化的分析结构如下图所示，其中保留阀值设置为0.5,变速箱壳体结构优化前原始质量为6.6Kg,优化后变速箱壳体结构的质量为5.7Kg,为原始质量的86.7%，最终去除了13.3%
的质量。
图3.9 变速箱壳体下盖拓扑优化分析结果
图3.10 变速箱壳体上盖拓扑优化结果
拓扑优化后的模型为片面模型，Workbench可以自动导出为stl格式几何文件，利用Workbench的几何前处理软件可以对stl格式模型进行修复处理，拓扑优化后的初始结果模型会存在一定的尖角区域，部分孤立区域，或细小斜长以及偏平结构等，这些因素均不利于加工生产，同时在后续的有限元分析中不利于网格划分，而且非常容易产生应力集中，所以需要进行修复处理，另外初始结果模型的去除材料边缘区域过渡较差，容易出现尖角和毛刺，需要进行光滑处理，这些操作可以采用SCDM中的Facets面板功能实现。
图3.11 Facets面板功能
首先进行采用Auto 灰度图Fix功能，自动查整体模型中的错误区域，软件自动查并处理。在采用Separate All功能，将较小的孤立区域进行分割，然后删除掉这些孤立区域，对于部分细小斜长以及偏平结构，需要手动删除该区域结构，再采用Holes功能进行填充，最后采用
shrinkwrap功能对结构进行收缩处理，收缩尺寸设置为1mm，同时保留特征，角度阀值设置为80°，避免收缩过程中丢失几何倒角特征。最终采用Smooth功能对所有结构进行光滑处理，角度阀值设置为100°，smooth type设置为Flatten Peaks。最终修复后的几何模型如下所示。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议