103_基于拓扑优化方法的复杂壳体类零件的轻量化设计_陈安红.pdf

Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 基于拓扑优化方法的复杂壳体类零件的轻量化设计 陈安红 李亚娟 郁丽刚 （上海汽车集团股份有限公司技术中心 上海 201804） 摘 要：以某型变速箱离合器壳体的三维模型为研究对象，运用 Altair 公司的 HyperWorks 系列软件中的 OptiStruct 拓扑优化工具，借助有限元方法进行了仿真计算，得到了离合器壳 体的优化设计方案，减轻了离合器壳体的重量，对复杂壳体类零件的轻量化设计具有较大的 指导和借鉴意义。 关键词：拓扑优化 壳体 轻量化 OptiStruct 离合器壳体 1 概述 拓扑优化是在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的设计方案。美国 Altair ???司 HyperWorks 系列软件中的 OptiStruct 工具，采用 HyperMesh 作为前处理器从而实现连续 拓扑优化。连续拓扑优化是把优化空间的材料离散成有限个单元（壳单元或者体单元）然后 根据算法确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓 扑优化。 变速箱是整车动力总成的关键零件，其性能直接影响到整车的安全性、动力性及操作性。 变速箱壳体结构复杂，功能繁多，对于结构设计有较高要求，因此其轻量化设计不仅要兼顾 功能和工艺性，同时还要考虑刚度和强度的要求。使用拓扑优化方法对进行汽车变速箱进行 轻量化设计，可在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而 提高汽车的动力利用率，减少燃料消耗，降低排气污染。 2 基于 HyperMesh 的拓扑优化工作 变速箱中壳体零件比较多，现选择结构复杂、同时对动力总成及整车的NVH性能有重 要影响的离合器壳体，进行拓扑优化。 2.1 受力分析及约束 2.1.1 对离合器壳体施加载荷如下： 在螺栓连接处施加预紧力为 24940N 的载荷，在离合器壳体轴承座孔处施加集中载荷， 在底盘悬置支架固定处施加悬挂点载荷。 2.1.2 约束条件： 离合器壳体通过螺栓与发动机连接，约束连接螺栓孔的 6 个自由度。 2.1.3 求解器： ‐1‐? Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 Abaqus 6.9-1。 离合器壳体轴承座孔和悬挂点处加载分别如图 1 和图 2 所示。 图 1 离合器壳体轴承座孔处加载 图 2 离合器壳体悬挂点处加载 2.2 拓扑优化工作详解 2.2.1 设计空间定义 离合器壳体设计空间定义流程如下： 1.确定非设计空间：确定几何结构中不可改变的部分，该离合器壳体的厚度、功能性螺 栓孔、齿轮轴连接处均不可改变。 2.确定设计空间：确定原结构中可以改变的部分，该离合器壳体的可变结构为分布于内 外表面的加强筋，本次拓扑优化的目标主要是优化离合器壳体加强筋的数量以及分布。 3.设计空间的几何建模：去掉原离合器壳体数模中的所有加强筋，在需要加筋的位置建 立几何包络面。 4.划分设计空间网格：对各个设计空间分别用四面体划分网格。 5.定义拓扑优化变量：对每个独立的设计空间分别定义拓扑优化变量。 图 3 展示了本例不同部位离合器壳体的拓扑优化设计空间。 a) b) ‐2‐? Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集