基于ATOM变速器壳体刚度的研究

论文所属行业 汽车 基于基于 ATOM 变速器壳体刚度的研究变速器壳体刚度的研究 蒋金星 1 2 彭国民1 2 马小英2 郑光泽1 2 付瑞1 2 何健1 2 重庆长安汽车股份有限公司 动力研究院 重庆 401120 2 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室 重庆 401120 摘要 摘要 应用Abaqus软件对变速器壳体结构优化提供参考 针对某款手动变速器 以一阶振动频率为目 标 并定义频率的拓扑优化函数 采用SIMP变密度法对其进行拓扑优化研究 依据优化结果改进原壳体 部分结构 并比较原变速器和优化后的变速器壳体频率及悬置支架安装点的动刚度 研究结果表明 采用拓扑优化方法指导设计的变速器壳体频率和刚度都有提高 降低了NVH风险 关键词 关键词 变速器壳体 拓扑优化 频率 The Research of Gear Box Stiffness Based on ATOM Jiang Jinxing1 2 Peng G uoming i1 2 Ma Xionying1 2 Zheng Guangze1 2 Fu Rui1 2 He Jian1 2 1 Chongqing Changan Automobile Co Ltd Powertrain R 2 State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology Abstract This article provided a method to optimize the structure of gear box with software Abaqus By setting the first modal frequency target and frequency optimization function a topology optimization based on SIMP method has been done to improve the structure of the gear box The gear box was refined based on the optimization results A benchmark was done to compare the gear box frequency and mounts connecting points dynamic stiffness The research of this article shows that topology optimization improved the frequency and stiffness of the gear box and lowered the NVH risk Key words gear box frequency topology optimization 0 引 言 随着国家对车辆噪声要求越来越严格 对车 辆噪声的研究和控制也非常迫切 传动系统噪声 是车辆噪声的重要组成部分 传动系统的主要噪 声源是变速器的噪声 对于汽车变速器而言 变 速器噪声的传播途径主要有两种 其一是部分齿 轮噪声透过变速器壳壁辐射出来 这部分的比例 较小 其二是齿轮振动通过齿轮本体 齿轮轴 轴承传递到变速器壳体 引起壳体的振动 通过 壳体侧壁的振动辐射出来 这占大部分 由于变 速器的噪声最终通过变速器壳体辐射出去 壳体 结构振动特性影响变速器乃至整车的舒适性 因 此有必要对变速器壳体结构振动特性进行分析 汽车变速器壳体模态分析研究的主要内容是 确定变速器振动特性 固有频率和主振型 它们 是承受动载荷结构设计中的重要参数 由模态分 析可以确定齿轮转速与变速器壳体的合理匹配 进而避开其固有频率 壳体结构上有无薄弱环节 和振动的噪声源 并由此进行结构优化 以减小 变速器壳体的结构振动 Abaqus 结构优化是一个精细化设计的迭代 模块 结构优化设计能够使结构组件轻量化 并 满足刚度和耐久性要求 ATOM 优化模块提供了 两种优化方法 拓扑优化和形状优化 拓扑优 化 Topology optimization 通过分析过程中不断 修改最初模型中指定优化区域的单元材料性质 有效地从分析的模型中移走或增加单元而获得最 收稿日期 2014 10 13 作者简介 蒋金星 男 湖南衡阳人 硕士研究生 研究方向为动力总成 NVH E mail venus985 优的设计目标 形状优化 Shape optimization 则是在分析中对指定的优化区域不断移动表面节 点从而达到减少局部应力集中的目的 本文利用 拓扑优化方法对某款变速器壳体进行拓扑优化 以频率为目标 体积作约束 提高低阶频率值 从而提高变速器壳体的刚度 降低 NVH 风险 依据拓扑优化结果 修改变速器壳体 对比 分析优化前后的变速器壳体 1 拓扑优化的理论 连续拓扑优化设计过程首先必须建立结构的 拓扑优化设计空间和非拓扑优化设计空间 并施 加相应的载荷和边界条件 然后选择一种有效的 拓扑优化算法进行优化设计 优化设计过程中将 无效或低效的材料通过采取某种措施使其逐渐去 掉 剩下的结构将趋于最优结构 1 变密度法本质上假设材料由一个个密度介于 0 和 1 之间的单元构成 单个单元内的密度是相 同的 该方法吸取了均匀化方法的优点 直接假 设材料的弹性模量与密度之间呈现指数关系 在 实际的优化过程中属于 0 1 规划问题 变密度法 因其原理简单 相对均匀化方法设计变量少等优 点逐渐成为拓扑优化领域的主要方法 并且为许 多商用软件公司所采用 SIMP Solid Isotropic Material with Penalization 2 插值模型是应用比较广泛的密度 插值模型之一 可表示为 0 p ijklijkl ExxE 1 x dV 2 其中 V 是材料允许用量 p 为惩罚因子 1p 根据工程经验3p 的优化结果更加接近黑白形 态 是材料的密度函数 01x x 为设 计变量 x 这样就建立了材料弹性模量与 材料密度函数之间的指数关系 材料的密度在 0 和 1 之间的变换必然导致材料的弹性模量在 0 和 原始弹性模量 0 ijkl E之间变换 这里采用 Abaqus 软件对变速器壳体结构进 行拓扑优化 本论文选取 Abaqus 中的 SIMP 插值 方法作为材料模型 利用脱模约束使壳体生成的 加强筋更集中 2 固有频率优化数学模型 自由振动模态分析中 自由振动工况下变速 器固有频率优化模型为 Maximize f 12 T n 3 s t 1 2 i i f iN 4 1 0 1 2 n j j VVjn 5 min 01 1 2 j jn 6 0 ii KM 7 式中 j 为依据SIMP密度函数插值模型得到的 变速器壳体材料密度 n为壳体有限元模型的单元 总数 0 95 i 为结构第i阶频率特征值 N 为所取模态的总阶数 j V为第j个单元体积 V为 设计空间的最大体积 K为系统的刚度矩阵 M 为系统的质量矩阵 i 为第i阶的正交特征向量 f为车架的1阶弹性固有频率值 以频率为目标 优化得到结构的一阶最大频 率特征值 从而提高壳体的总体刚度 降低 NVH 风险 3 变速器壳体拓扑优化 3 1 原变速器壳体分析 传统设计方法得到的变速器壳体有限元模型 如图 1 所示 经验设计的壳体虽进行了详细有限 元分析 针对应力分布不均匀及刚度等问题做出 了一些改进 设计者根据经验增加加强筋 提高 频率 虽然性能具有一定的改善 但是还存在强 度 刚度不足等问题 因此具有很大的优化空间 通过 Abaqus 模态分析 第一阶频率 为 744Hz 二阶频率为 855Hz 分别如图 2 和 3 所 示 图 1 原变速器壳体的有限元模型 变速器换挡拨叉强度分析及优化 图 2 一阶频率的频率及位移 图 3 二模态频率及位移 传统设计的壳体一阶频率偏低 存在一定 NVH 风险 要求提高一阶频率 Abaqus 新版本 增加了优化模块 通过现代设计方法及优化理论 对产品进行设计 提高一阶振动频率 增加变速 器壳体的总体刚度 从而达到降低壳体振动及噪 声的目的 3 2 拓扑优化模型的建立 通过拓扑优化理论自动寻找加强筋或适当增 大结构厚度等方式来提高结构局部或整体刚度 既不会使质量增加过多 又能改变其模态振型和 固有频率 使其远离共振区域 进而减小振动和 噪声 图 4 为拓扑优化模型 其中红色和绿色区域 为设计域 设计区域的选择是通过第一阶模态的 模态振型来确定的 如前面图 2 可知 壳体边缘 处模态位移很大 蓝色区域为非设计域 此模型拓扑优化的设计目标为频率 f 约 束为体积 v 设计域的总体积 V 其中 v 0 2V 并添加拔模约束 以便壳体优化时材料 更集中分布 图 4 拓扑优化模型 3 3 拓扑优化结果 经过 25 次迭代之后 得出拓扑优化结果 虽 然这个结果不能直接用来做下一步有限元分析验 证 解析拓扑优化结果需要工程师有一定的工程 经验 从下图可知 有材料密集的地方说明原来 的方案刚度较弱 导致模态频率低 下面图 5 为 拓扑优化结果 依据拓扑优化结果重新设计加强筋提高频 率 即提高壳体的总体刚度是本文的重点所在 下图 6 为原变速器有限元模型 根据图 5 的拓扑 结果 重新设计的变速器模型如图 7 所示 红色 的有限元网格为增加的加强筋 图 5 拓扑优化结果 图 6 原变速器部分有限元模型 图 7 优化后变速器有限元模型 3 2 优化前后对比 对优化后重新设计的变速器进行模态分析 第一阶频率为 795Hz 如图 8 所示 二阶频率为 855Hz 如图 9 所示 从图 2 3 和 8 9 可知 一阶频率由 744Hz 提高至 795Hz 二阶频率由 855Hz 增加到 914Hz 提高了整体刚度 图 8 优化后一阶模态频率及位移 图 9 优化后二阶模态频率及位移 提高频率最终目的是为了降低 NVH 风险 对优化前后的变速器作刚度对比分析 选取变速 器壳体的悬置安装点为研究对象 本文对前 后 及左悬置支架悬置安装位置分别选取一个节点 66671 2372 和 671 加单位载荷 并输出该 节点的位移响应 图 10 原变速器前悬置支架安装点 XYZ 方向响应 图 11 原变速器后悬置支架安装点 XYZ 方向响应 变速器换挡拨叉强度分析及优化 图 12 原变速器左悬置支架安装点 XYZ 方向响应 图 13 优化后变速器前悬置支架安装点 XYZ 方向响应 图 14 优化后变速器后悬置支架安装点 XYZ 方向响应 图 15 优化后变速器左悬置支架安装点 XYZ 方向响应 将悬置安装点的位移响应导出数据 处理数 据得出动刚度值 优化前后变速器悬置安装点同 节点同方向下对动刚度值对比如下图 16 24 由于左悬置支架安装点不在设计区域 从图 16 18 可知该悬置支架安装点动刚度基本不 变 而前后悬置支架安装点在设计区域中或附近 经过拓扑优化后 一二阶频率增大 从图 19 24 可以看出 悬置支架动刚度最小值均有提高 说 明该变速器壳体经 ATOM 优化后总体刚度有所 提高 图 16 左悬置支架安装点 X 方向动刚度曲线 图 17 左悬置支架安装点 Y 方向动刚度曲线 图 18 左悬置支架安装点 Z 方向动刚度曲线 图 19 前悬置支架安装点 X 方向动刚度曲线 图 20 前悬置支架安装点 Y 方向动刚度曲线 图 21 前悬置支架安装点 Z 方向动刚度曲线 图 22 后悬置支架安装点 X 方向动刚度曲线 图 23 后悬置支架安装点 Y 方向动刚度曲线 图 24 后悬置支架安装点 Z 方向动刚度曲线 4 结束语 利用Abaqus软件对产品结构进行优化设计 及有限元分析 极大地提高了工作效率 1 传统方法设计的变速器 缺少理论支撑 本文利用拓扑优化理论 一阶振动频率作为目标 通过优化得到一阶频率最大化的变速器壳体结 构 提高了低阶频率 改善了NVH性能 2 频率提高 变速器悬置安装点动刚度最 小值提升 壳体总体刚度改善 降低了壳体振动 及