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Altair2017技术大会论文集
OptiStruct在变速器壳体优化设计中的应用
OptiStructApplicationInTransmissionHousing
Design
史元元1,2,刘玉蒙1,2,冉昭1,2
(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定071000；2.河北省汽车工程技术研究
中心，河北保定071000)
摘要:为了缩短变速器壳体设计周期，提高壳体的性能，并实现壳体轻量化的目标。结
合现有结构优化方法，不断地对模型进行优化分析，使壳体材料分布达到最优状态。本文主
要利用OptiStruct软件中的拓扑优化，根据给定的边界条件、约束条件和目标值，结合变速
器实际工况与壳体制造工艺方法，完成壳体的优化设计，实现壳体减重1.5Kg,解决局部等
效应力超过屈服强度问题，并使一阶模态达到1000以上的目标。
关键词:变速器,轻量化,OptiStruct,拓扑优化
Abstract:Toshortendesignperiodoftransmissionhousing,improveitsperformance
andachievetargetoflight-weight,continuousoptimizationanalysisofmodeliscarriedout
withconjunctionofexistingstructureoptimizationmethodtomakeoptimaldistributionof
housingmaterial.ThispapermainlyutilizestopologyoptimizationinOptistructtocomplete
designforhousingoptimizationaccordingtogivenboundaryconditions,constraint
conditionsandtargetvaluewithconjunctionoftransmission’sactualoperatingconditions
andmanufacturingprocessmethodofhousingsothathousingweightisreducedby0.5kg
anditcanprovideasolutiontolocalaveragestressexceedingyieldstrengthandalsofirst
ordermodalcanreachover1000asthetarget.
Keywords:transmission,light-weight,OptiStruct,topologyoptimization
1概述
近些年来，节能减排降油耗已经成为汽车行业发展的大趋势，零部件的轻量化设计成为
各个车企实现降低油耗的重要措施之一。通过降低汽车本身的重量，提高汽车的燃油经济性、
节约能耗、减少污染。我司设计人员在不影响汽车的安全性、抗振性以及舒适性的工况下，
利用拓扑优化方法，对变速器壳体及零部件进行优化再设计，既保证了良好使用性能，又实
现了变速器壳体轻量化设计。
机构拓扑优化设计[1,2]，开展于概念设计早期，主要研究结构材料布局，由于拓扑优化
的结果决定了产品的最优拓扑，即决定了产品的最终形状与性能，因此在壳体轻量化设计中
-1-
Altair2017技术大会论文集
大量应用拓扑优化技术，可以在很大程度上保证壳体结构设计，后续的尺寸和形状优化是在
材料分布最优初始拓扑形式下进行的，能够极大提高材料利用率。
2优化前模型的确认
2.1壳体材料属性
该变速器壳体的材料为铸铝，并采用高压铸造工艺，其弹性模量E=72GPa，泊松比
μ=0.3，密度为ρ=2.7╳103Kg/m3，屈服强度为160MPa，抗拉极限为270MPa。
2.2工况及加载验证
本文综合考虑了壳体的刚度曲线、箱内轴的扰度、齿轮参数等因素，依据力的平衡和力
偶平衡，依据发动机输出扭矩计算出在不同挡位时壳体上各个轴承座处受的载荷（力和力
矩）。
首先通过OptiStruct软件完成优化前壳体模型的仿真分析。主要对其质量、强度、刚
度进行分析确认，确保壳体优化前后性能不变，同时为优化提供目标值与约束值。
图1优化原模型
质量/Kg等效应力强度/MPa一阶模态/Hz
15.2180680
通过仿真分析得到，壳体的等效应力为180MPa，大于壳体材料的屈服强度，一阶模态
为680Hz小
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