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载重汽车变速器壳体加强筋布置的优化设计_徐岩.doc

载重汽车变速器壳体加强筋布置的优化设计_徐岩

叼着一支烟喝茶
2017-09-30 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《载重汽车变速器壳体加强筋布置的优化设计_徐岩doc》,可适用于高等教育领域

载重汽车变速器壳体加强筋布置的优化设计徐岩第卷第期年月哈尔滨工业大学学报JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYVolNoMar载重汽车变速器壳体加强筋布置的优化设计徐岩,陈宇东,杨志军,陈塑寰(吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春,yanxufawvwcom)摘要:为了提高载货汽车变速器壳体强度,在其内部布局加强筋在布局优化过程中,以应力约束条件下加强筋的最小质量为目标函数,加强筋被布置在高应变能或应力的位置,利用加强筋单元应变能灵敏度和一种迭代计算中高效的重分析方法提高计算速度,通过确定加强筋单元的使用效率决定加强筋单元删除或保留计算结果表明:经过次迭代优化,变速器壳体结构的最大主应力从×Pa下降为×Pa,达到设计要求应用加强筋的布局优化,可以有效地提高汽车变速器壳体结构强度关键词:变速器壳体加强筋布局优化设计有限元系统中图分类号:UO文献标识码:A文章编号:()LocationoptimizationofstiffenersoftransmissionhousingforatruckXUYan,CHENYudong,YANGZhijun,CNENSuhuan(DeptofMechanics,NanlingCampusofJilinUniversity,Changchun,China,yanxufawvwcom)Abstract:Inordertoimprovethesecurityoftransmissionhousingforatruck,stiffenersweredisposedinitTheminimumweightofstiffenerswastakenastheobjectivefunctionwiththestressconstraintinthelayoutoptimizationprocess,andthestiffenerswereplacedatthelocationswithhighenergyorstressThesensitivityofstrainenergyofstiffenersandahighefficiencyreanalysismethodineachdesignwereemployedtoincreasethecomputationalspeedByidentifyingtheuseefficiencyofelement,themostinefficientlyusedelementsofstiffenerswereremovedTheresultindicatesthatafteriterativeprocesses,thestructuralstressconstraintisreducedfrom×Pato×PaWiththelayoutoptimizationofstiffenerswecaneffectivelyimprovethesecurityofthetransmissionhousingofatruckKeywords:Transmissionhousingstiffenerslayoutoptimizationfiniteelementsystem变速器是汽车动力总成的重要组成部分,它联结着离合器总成和传动轴,需要通过两组不同的齿轮啮合来降低通过变速器一轴传递来的发动机转速,这必然导致壳体承受的扭矩增大,过大的载荷有可能使变速器壳损坏,导致整个动力传动系统无法工作在破坏情况出现后,设计师通常按经验采用两种办法来更改设计:一是将壳体加厚,一是根据试验结果在出现断裂的位置布置加强筋前者属于参数设计,后者属于拓扑设计,许多重要成果,本文讨论汽车变速器壳体加强筋的布局优化设计在加强筋布局优化设计过程中,首先把未加筋的变速器壳体结构取为初始设计结构根据其应变能(应力)分布,在高应变能(应力)区布置尽可能多的加强筋,并取做参考结构为了识别加强筋单元使用的有效性,可引入加强筋单元应变能灵敏度的概念,即删除或增加一个加强筋单元所产生的应变能的变化应用加强筋单元灵敏度的概念,就很容易识别哪些加强筋为无效使用者,应从结构中删除,从而可以确定加强筋单元的最优位置为了减少在每一次迭代设计中的计算时间,将利用一种快速重分析方法在这种重分析方法中,采用Guyan凝聚技术,使新增加的自由度包含工程技术人员已经认识到,和参数设计相比较,拓扑优化设计可更有效地改进设计,而且已取得了收稿日期:作者简介:徐岩(),男,博士研究生,工程师陈塑寰(),男,教授,博士生导师哈尔滨工业大学学报第卷在分析模型中,并得到初始求解向量然后,用迭代组合近似(ICA)方法来改进解向量最后,给出某载重汽车变速器壳体加强筋布局设计的例子ΔDEax(ΔEEi=Δim,ΔE,…,ΔNN)式中:NN为加强筋的单元数,max(ΔEE,Δ,…,ΔE表示向量p中的最大元素ΔD是无量纲比NN)i值,用来确定加强筋的单元哪些要保留,哪些要删除确定变速器壳体加强筋最优位置的准则可以定义为ΔDD()iΔc式中:ΔDc是确定变速器壳体加强筋优化布置的阀值,当第i个单元的计算结果满足优化准则()时,该单元将被保留,反之被删除结构拓扑修改的静力重分析方法组合近似法(CA方法)当结构修改较小时,组合近似法可给出满意的重分析近似解,初始位移r可由下式求出:rR=KCA方法中基向量r可由下式得到:irKΔKrBr=,,i=i=i,iB=KKΔ其基向量矩阵定义为rΒ=r,r,r,r,计算刚度矩阵及载荷向量在rB中的投影KrR=rΒKB,RR=rBR由K,最后得到修改结构的位Ry=RR计算向量y移r=rBy迭代的组合近似法(ICA方法)ΣT变速器壳体加强筋布局优化方法在变速器壳体加强筋布局优化中,其目的是寻找加强筋的拓扑,即在具有应力约束的条件下,,,使加强筋的质量优化为最小,σ,σ为maxσmaxmax相应的阀值变速器壳体结构加强筋布局优化方法如下:第步:将变速器壳体结构(未加筋)离散为有限元系统,并求得位移和应变能第步:根据初始结构的应变能梯度分布情况,给出加强筋的数量和布局的初始方案第步:用ICA方法,对参考结构作快速重分析,得到其位移向量r以及单元应变能第步:用方程式()计算第k次迭代时加强筋上i个单元应变能灵敏度ΔErr,k,i=k,iKik,i式中:K为加强筋上第i个单元的刚度矩阵,r为ik,i其位移向量第步:应用优化准则()来确定加强筋的单元是否被保留,在第k次迭代时的阀值ΔDck=ΔDΔD,随着阀值的提高,变速器壳体加强c,kcc筋单元不断被删除,直到获得最佳优化结果优化过程需要指定两个参数:初始化删除比值ΔDc及删除比值的增加步长ΔDcc第步:用ICA方法更新位移向量和并计算加强筋应变能第步:计算结构总应变能,如果不再满足σmaMε(σ为预先指定阀值,ΔMxσmax,或Δmax为第k次迭代时所删除加强筋的质量,ε是给定的任意小的值),则优化达到,否则重复,步,,Σ当ΔK较大时,基本CA方法不能得到良好的近似解,有必要使用下面的迭代组合近似方法迭代方法中的初始解为VR=K令ΔKΔK,p式中:p是迭代次数,‖ΔK‖f‖K‖f×对于k=,,…,p,计算得到结构拓扑后的有限元方程的近似解为r=V(p)应变能单元灵敏度和加强筋优化位置的搜索方法为了识别加强筋的使用效率,需要引入加强筋应变能单元灵敏度这一概念单元应变能灵敏度定义为ΔEieΣeuiKiui()式中:K是加强筋第i个单元的刚度矩阵,u是第iii个单元的位移向量,ΔE表示从参考结构中删除i加强筋第i个单元的应变能灵敏度通过方程()可以求得加强筋所有单元的应变能灵敏度,并定义EEΔ,ΔNN变速器壳体加强筋布置的优化设计变速器壳体联结传动轴与离合器外壳,在齿轮正常啮合工况下要承受很大的载荷,如果在布局设计阶段不对壳体结构进行力学性能分析,经常会出现局部结构强度不够的情况某种载质量第期徐岩,等:载重汽车变速器壳体加强筋布置的优化设计壳体后端面经常出现局部断裂该型变速器其受力情况为:一轴后轴承处变速器壳体受力为N,与一轴后轴承孔水平直径成二轴后轴承处受力为N,与二轴后轴承孔水平直径成中间轴前轴承处受力为N,与中间轴前轴承孔水平直径成中间轴后轴承处受力为N,与中间轴后轴承孔水平直径成此外中间轴处壳体所受轴向力为N,方向由变速器前端面水平向后建立该变速器壳体初始结构有限元模型(图),由块体单元组成,包含个节点和个自由度,材料为铸铁,壳体平均壁厚为m,材料的杨氏模量为×Pa,,许用应力为σ×Pa前端面面积为max=m,后端面面积为m,两对贯通的轴承孔的直径分别为m和m,在前、后端面个轴承孔内侧分别有,m的加强筋的许用应力,因此需进一步优化设计图初始结构的应力图参考结构有限元模型图初始结构的有限元模型为了对该变速器壳体提出合理的优化设计方案,首先对变速器壳体初始结构进行有限元分析,得到其最大主应力为×Pa(图)而铸铁材料的许用应力为×Pa,可见变速器壳体后端面结构的强度不够,会出现断裂现象按初始结构的应变能较大处来布置结构加强筋:在变速器壳体后端面的内表面沿轴承孔径向布置结构加强筋(图),加强筋的横截面为矩形,与变速器壳体后端面内表面接触的底边宽为m,与变速器壳体后端面内表面垂直的边长为m,横截面面积为m共计增加块体单元,个节点和个自由度,从而得到了变速器加强筋布局的参考结构再对变速器壳体参考结构进行重分析(图),结构的最大主应图参考结构的应力利用方程()可以求出参考结构的单元应变能灵敏度根据优化准则(),取ΔD,C=对变速器壳体参考结构进行第一次迭代优化,加强筋中共有个单元被删除,结构的最大主应力从×Pa下降为×Pa由于最大主应力仍然超过材料的许用应力,还要经过第二,取Δ,Δ,哈尔滨工业大学学报第卷筋中共有个单元被删除(图),变速器壳体结构的最大主应力下降为×Pa,达到变速器壳体优化设计的要求(图)可见经过次迭代,保留变速器壳体结构后端面内侧共四条加强筋,获得了最佳优化设计结果)应用加筋布局优化设计方法相对传统的设计方法,可以大大缩短优化设计周期,提高优化设计精度对于避免零部件的初始设计缺陷和提高某些关键部件的优化设计效率有重要的应用价值参考文献:LIUZS,CHENSHReanalysisofstaticresponseanditsdesignsensitivityoflocallymodifiedstructuresJCommunicationsinNumericalMethodsinEngineering,():CHENSH,PANHHGuyanreductionJCommunicationsinAppliedNumericalMethods,():RONGFeng,CHENSHStructuralmodalreanalysisfortopologicalmodificationswithextendedKirschmethodJComputerMethodsinMechanicsandengineering,,:LIANHD,YANGXW,CHENSHTwostepmethod图第二次迭代后的有限元模型forstatictopologicalreanalysisJAIAAJournal,,():CHENSH,HUANGC,CAOZJStructuralmodelreanalysisfortopologicalmodificationsJShockVibrat,,():KIRSCHU,PARALAMBROSPYStructuralreanalysisfortopologicalmodificationaunifiedapproachJStructureMultidiseOptim,,:KIRSCHUOptimaltopologiesoftrussstructuresJComputerMethodsinAppliedMechanicsEngineering,,:CHENSH,HUANGC,CAOZJStructuralmodalreanalysisfortopologicalmodificationsJShockVib,():图第二次迭代后结构的应力KIRSCHUCombinedapproximationsageneralapproachforstructuraloptimizationJStructMultidiscOptim,,:杨志军,陈塑寰,结构静态拓扑重分析的迭代组合近似方法J力学学报,,():结论)按此优化设计结论改进的变速器,解决了壳体后端面断裂的问题(编辑杨波)

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