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基于HyperWorks的某综合传动箱箱体结构优化设计 |
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作者：杨阳 姚寿文 |
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1 引言
综合传动系统是满足履带车辆直驶、转向和制动于一体的复杂机、电、液系统，其箱体是一个承载大、形状不规则、结构不对称的复杂空间结构。传统的箱体结构设计常基于设计人员的经验，且为保证工作的可靠性一般取较大的安全系数，从而使箱体笨重、浪费材料。而现代结构优化设计以计算机为设计工具，可系统地、自动地对结构进行优化设计，寻求在满足各种约束前提下，结构尺寸、几何形状以及拓扑形式均为最佳的设计方案。因此，将现代设计手段应用到箱体结构设计中具有重要意义。
本文基于HyperWorks系列软件，以现有某综合传动箱箱体为研究对象，利用结构优化技术，以减轻质量，提高箱体的刚、强度为目标对原有箱体结构进行拓扑优化设计，为多载荷的复杂结构件的优化设计提供了切实可行的技术途径，具有重要的理论意义和实际应用价值。
2 箱体有限元模型的建立
2.1 有限元网格的划分
本文箱体共五部分，分别为上、下箱体，左、右端盖和箱体前端盖，是一个承载大、形状不规则、结构不对称的薄壁复杂空间构件，建立箱体有限元模型时忽略了箱体实际结构中的吊钩、窥油孔、螺栓联接孔、油槽、部分凸台和倒角等。本文选用一阶四面体单元，得到箱体限元模型共计440506个单元，130352个节点，其网格模型如图1所示。
图1 箱体有限元网格模型
2.2 材料属性、边界条件
本箱体使用的材料为铸造铝合金ZL101A，各向同性材料，材料属性如下：杨氏模量E=70GPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=2.8×103kg/m3。
本文分别在传动箱体左、右端盖的圆柱面、箱体前端盖与其它零件相配合的表面即圆环面处施加六个自由度的全约束。
2.3 载荷的定义
箱体的载荷主要来自三个方面：
1.发动机通过传动系施加到箱体各轴承座上的作用力。本文选取原综合传动液力一档零工况进行计算，各载荷具体数值如表1示：表1 各轴承座所受来源于发动机扭矩的载荷简化值
 2.箱体自身的重力：M=3851N；
3.传动系的重量（传动轴及其附件的重量）：MΙ=2700N，MⅡ=1453N和MⅢ=2563N。
3 箱体静态分析结果
强度是机械零件正常工作必须满足的最基本的要求，机械零件在工作时，不容许出现结构断裂或塑性变形，也不容许发生表面损坏，强度是指零件抵抗这类失效的能力。本文对箱体进行静态分析后，得到箱体的综合应力分布云图如图2所示。
图2 综合应力分布云图
可以看出，各轴承座及其周围、两侧端盖约束边界位置和模拟螺栓位置周围受载荷较大，其中最大应力出现在右侧端盖约束边界位置，最大综合应力值为123.5 MPa，因为该处端盖受固定约束，整个箱体承受载荷时必然产生很大扭矩以抵抗变形。上下箱体轴承座这些主要承载位置的应力也较大，综合应力值大约在70～95 MPa，是箱体的主要受力区域。箱体其它位置所受应力值均较小。
4 箱体自由模态分析结果
实践证明，对箱体进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有振型等有充分认识，尽可能地避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计。本文计算得到了箱体前20阶自由模态的固有频率及相应的振型，其中包括6阶刚体模态及14阶非刚体模态（前六阶刚体模态固有频率为零，不作考虑），14阶非刚体模态的固有频率见表2。表2 自由模态7~20阶模态与固有频率（Hz）
 5 箱体结构拓扑优化
拓扑优化的目的是要寻求材料的最佳传力路径，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。结构拓扑优化按载荷类型的不同可分为静力拓扑优化和动力拓扑优化。静力拓扑优化主要是研究承受静载荷作用下的结构拓扑优化形式，通常以结构的位移或最大应力为约束条件，以结构的重量（质量）或柔度为优化目标。
本文传动箱体左右端盖及箱体前端盖壁厚大多数在10mm～15mm，且结构简单，因此以上下箱体为研究对象进行结构拓扑优化，方案如下：
1．设计变量：本方案选择上下箱体的加强筋、箱体左右两端轴承座外缘、液压泵马达接口处凸台等多处分散位置为优化设计空间，如图3所示。设计变量是该设计空间中单元的拓扑密度。
图3 设计空间
2．约束条件：依据有限元静态分析结果，本文选取静态分析中位移较大的几个节点位移作约束，以其位移变形最大值为上限作为方案一的约束条件，具体数值如表3所示。表3 约束条件表
 3．目标函数：本文目的是在保证原有箱体强度和刚度的前提下对其进行结构减重，因此，将质量最小定为目标函数。
4．优化结果：本方案共经历4次迭代，迭代结果有效地避免了“0~1中间值”问题和“棋盘格式问题”，优化后单元密度很好地趋于0（蓝色）或1（红色），最终优化结果如图4所示。
图4 优化结果
最后，本文依据优化分析结果对上下箱体共八处位置进行了重新造型，得到了新的箱体拓扑结构并对新箱体进行了静态和自由模态分析。比较可知，原箱体总重385.1kg，优化后箱体总重373.3kg，优化前后箱体质量减少了11.8kg。优化后的箱体综合应力较原来降低了6～10MPa，强度有明显提高，但应力分布状态与原箱体基本相同，和箱体实际受载情况相符。优化前后箱体自由模态各阶固有频率基本相同，优化过程中对箱体拓扑结构的改变几乎完全不影响箱体在低阶自由模态的动态特性。
6 展望
拓扑优化设计是一门新兴的研究领域，也是结构优化领域的难点。拓扑优化的目的是要寻求材料的最佳传力路径，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。拓扑优化有助于工程师提出新颖高效的概念设计方案，因此在工程领域具有直接而广泛的应用价值，必将成为产品设计的必要步骤和标准环节，对提高产品设计质量，缩短产品开发周期起到非常关键的作用。
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(3/4/2010) |
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