變速器油底殼形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
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摘要：油底殼是變速器表面輻射噪聲的主要來源之一。筆者為提高油底殼固有頻率，采用形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，考慮加工工藝，得出最優(yōu)加筋設(shè)計(jì)方案。模態(tài)分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的油底殼前10階固有頻率均得到較大幅度提升。本研究可為變速器NVH性能優(yōu)化提供一定技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞：油底殼變速器形貌優(yōu)化
1引言
車輛變速器的NVH性能是影響車輛駕駛舒適性的關(guān)鍵因素[1]。變速器殼體零件質(zhì)量輕、剛度小，在發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系等內(nèi)部激勵(lì)作用下，極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致振動(dòng)噪聲。研究表明，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高殼體類零件的剛度和固有頻率，避免其與動(dòng)力總成系統(tǒng)產(chǎn)生共振，是降低車輛動(dòng)力總成整機(jī)輻射噪聲量級(jí)的主要技術(shù)措施[2]。因此，本文采用形貌優(yōu)化與加工工藝相結(jié)合的方式，對(duì)某變速器油底殼實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化，以提高其固有頻率。
2油底殼模態(tài)分析
圖1為所研究的變速器油底殼原始設(shè)計(jì)模型。通過模態(tài)分析獲取其固有頻率和模態(tài)振型是開展形貌優(yōu)化的前提。首先，在三維建模軟件中對(duì)剛度影響很小的幾何特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后，將其導(dǎo)入有限元前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為1-3mm，采用四邊形單元，對(duì)模型結(jié)構(gòu)突變處使用網(wǎng)格加密和尺寸漸變方式進(jìn)行過渡。使用網(wǎng)格質(zhì)量檢查功能對(duì)所有單元的長(zhǎng)寬比、雅可比值、塌陷值等特征進(jìn)行檢查，不合格的單元予以修正。最終得到如圖2所示的油底殼網(wǎng)格模型，網(wǎng)格總數(shù)為25953個(gè)單元。由于油底殼與變速器殼體之間采用螺栓連接，且變速器殼體壁厚和剛度均大于油底殼，故在油底殼上端與變速器殼體連接處施加全自由度約束。通過有限元軟件求解計(jì)算，得出油底殼固有頻率及其振型，前3階固有振型如圖3所示，其固有頻率分別為353.1Hz、645.1Hz、771.5Hz，分別對(duì)應(yīng)油底殼底部中心上下振動(dòng)、油底殼底部上下彎曲振動(dòng)、油底殼底部左右彎曲振動(dòng)等振型。由振型結(jié)果可知，油底殼主階次振動(dòng)集中在油底殼底部，這是由于該區(qū)域?yàn)榇竺娣e平面，剛度較低所引起的。因此，底部大平面區(qū)域是影響油底殼固有頻率和振型的關(guān)鍵因素。
3形貌優(yōu)化問題定義
形貌優(yōu)化的本質(zhì)是在約束條件下對(duì)三維薄殼結(jié)構(gòu)離散處理后所得的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)調(diào)整，獲得滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳節(jié)點(diǎn)位置，將優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)重構(gòu)曲面，得到最佳形貌的過程[3]。該方法允許工程人員在對(duì)產(chǎn)品沒有參考構(gòu)型的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和性能要求，設(shè)計(jì)最優(yōu)概念模型。本文在對(duì)油底殼原始模型進(jìn)行模態(tài)分析的基礎(chǔ)上開展形貌優(yōu)化，并結(jié)合加工工藝方法，提出可滿足工程實(shí)際要求的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖4所示。結(jié)合模型模態(tài)分析結(jié)果，將油底殼分為設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域兩部分，如圖5所示。由于剛度是決定油底殼輻射噪聲能力的最重要指標(biāo)，在此以油底殼第一階固有頻率值的倒數(shù)最小作為優(yōu)化目標(biāo)。結(jié)合沖壓工藝及油底殼功能要求，將設(shè)計(jì)約束定義凸起形式的加筋，如圖6所示。同時(shí)根據(jù)材料成型特性確定起筋的最大高度H為3mm，起筋角θ為60°，最小起筋寬度B為5mm，為獲取理想加筋方案，將加筋類型設(shè)置為無約束分布圓肋式。油底殼形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可表述為：式(1)中的1ω表示油底殼的第一階固有頻率值，它是油底殼結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料特性的復(fù)雜隱式函數(shù)；X為設(shè)計(jì)域節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)；式(3)為系統(tǒng)微分運(yùn)動(dòng)方程，其中M為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，為節(jié)點(diǎn)加速度矢量式，K為節(jié)點(diǎn)剛度矩陣；式(4)中為起筋角約束函數(shù)；式（5）中為起筋寬度函數(shù)；式(6)中的為起筋高度函數(shù)。
4形貌優(yōu)化結(jié)果分析
圖7是形貌優(yōu)化后的油底殼凸起加筋結(jié)果云圖，可以看出，凸起加筋分布在油底殼底部四周區(qū)域，絕大部分凸起厚度為3mm，在靠近中心的邊緣，凸起厚度逐步過渡到0。這一現(xiàn)象可以解釋為：模型是以最大化第一階固頻率為優(yōu)化目標(biāo)，第一階模態(tài)的振型表現(xiàn)為油底殼底部中心上下振動(dòng)，與通過增大根部截面積來提升懸臂梁剛度類似，在油底殼底部邊緣區(qū)域加筋，可以起到增加系統(tǒng)剛度和提高一階固有頻率的效果。對(duì)優(yōu)化后的理想模型進(jìn)行模態(tài)分析，并與優(yōu)化前的固有頻率進(jìn)行對(duì)比，如表1所示?？芍?，前5階固有頻率均得到提升，其中第一階固有頻率從優(yōu)化前的353.1Hz增大至514.7Hz，提升率達(dá)到45.76%。因此，通過加筋形貌優(yōu)化，油底殼的固有頻率得到了較大幅度的提升。
5設(shè)計(jì)方案優(yōu)選
值得注意的是，上述形貌優(yōu)化方案是理想加筋方案，無法直接用于制造加工。還需要進(jìn)一步對(duì)以理想模型進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，以轉(zhuǎn)化為工程模型。以理想模型為參照，以還原優(yōu)化加筋區(qū)域?yàn)樵瓌t，同時(shí)考慮到實(shí)際沖壓工藝、材料及成本等因素，設(shè)計(jì)出如圖8所示的3種油底殼加筋方案。對(duì)三種方案進(jìn)行模態(tài)分析，其第1階固有頻率分別為420.2Hz，452.6Hz，480.9Hz。由此可知方案3的1階固有頻率最高，對(duì)理想加筋方案的復(fù)原度最高，因此選用方案3作為最終設(shè)計(jì)方案。進(jìn)一步，將方案3與原模型的固有頻率進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示?？梢钥闯觯^優(yōu)化前模型而言，方案3的前10階固有頻率均得到提升，其中第一階固有頻率由353.1Hz提升至480.9Hz，提升率為36.19%。這一油底殼設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了理想形貌優(yōu)化與實(shí)際加工工藝的兼顧，可以直接用于生產(chǎn)制造。
6結(jié)論
本文以某變速器油底殼為研究對(duì)象，采用形貌優(yōu)化方法，以最大化油底殼第一階固有頻率為目標(biāo)，考慮沖壓工藝參數(shù)約束，通過模態(tài)分析、形貌優(yōu)化及設(shè)計(jì)方案重構(gòu)優(yōu)選等過程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油底殼的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究可為變速器NVH性能優(yōu)化及殼體類零件的形貌優(yōu)化工程應(yīng)用提供一定參考。
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作者：劉葉花 單位：索恩格汽車部件（中國(guó)）有限公司