CN104239639B - 一种简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法，根据目标变速器结构，建立初始最大包络模型，根据要求形成变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型，根据优化分析模型对Nastran卡片拓扑优化文件进行编译，将载荷计算软件得出的载荷计算结果一次性导入到Nastran拓扑优化文件中，完成载荷参数的快速修改，利用Nastran卡片调用命令来调用变速器壳体有限元模型，在Nastran软件中进行拓扑优化计算，得到最终的变速器壳体拓扑优化计算结果。简化Optistruct拓扑优化仿真软件在拓扑优化模型参数修改，并保证参数修改的正确率和修改速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构设计技术，特别涉及一种利用Nastran卡片调用功能简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法。
背景技术
拓扑优化是一种根据优化目标、约束和载荷，以材料分布为优化对象，在均匀分布材料的设计空间中寻找满足结构强度及刚度前提下的结构件体积、质量最小化的最佳分布方案，重新形成结构形状的一种结构优化设计方法；与其他常用的尺寸、形状、形貌优化设计方法相比，具有设计空间最大、不局限于对现有方案的优化、可为产品提供一种全新结构设计方案的突出特点；是产品开发初期，获取最佳零件结构、节材减重设计的有效优化结构方法。已在当今结构优化设计领域得到广泛应用。在拓扑优化寻优过程中，需要对所研究结构件的载荷与约束等进行不断修整；通过由载荷计算软件获得的载荷参数、施加位置，对模型进行对应的参数更改；在形成的新模型基础上，再次进行拓扑优化计算，如此反复多次循环，直到获得最贴合实际工作状况、最经济的目标结构分布结果。对于复杂结构零件，每进行一次修改，涉及更改的载荷参数量很大。
目前常用的Optistruct拓扑优化仿真软件，以其优化参数设置方便，操作简便，计算过程显示清晰，终止能续算等诸多优点，被广泛应用于结构零件拓扑优化设计中。但是运用Optistruct拓扑优化软件修改参数时，需逐一寻找修改对应点，逐个重新输入要修改的参数，参数输入过程长，易导致参数输入错误，工作周期长等不足之处。
发明内容
本发明是针对常用的Optistruct拓扑优化仿真软件在使用中修改参数耗时多的问题，提出了一种简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法，利用Nastran卡片调用功能，简化Optistruct拓扑优化仿真软件在拓扑优化模型参数修改，并保证参数修改的正确率和修改速度。
本发明的技术方案为：一种简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法，具体包括如下步骤：
1）根据目标变速器结构，建立初始最大包络模型，为使变速器壳体能够达到强度、刚度要求，选取一档及倒档工况为研究工况，对变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型进行网格划分，并对其施加一档及倒档所受的载荷，经拓扑优化初步计算，形成变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型；
2）优化分析类型参数的确定：以结构的柔度最小为目标函数，优化后的体积为约束条件，以步骤1）变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型中各单元的属性为设计变量的数学模型；
3）Nastran卡片拓扑优化文件编译：
A:用执行控制段语句给定优化作业分析计算法类型；
B:用工况控制段语句给定优化分析类型、工况设定；
C:用数据段语句编译Nastran卡片，包卡片包括载荷的ID号、受载节点的ID号、坐标系ID号、受载荷比例因子；
4）将载荷计算软件得出的载荷计算结果一次性导入到步骤3）所得的Nastran拓扑优化文件中，完成载荷参数的快速修改；
5）通过在Nastran拓扑优化文件中编译“INCLUDE”卡片命令来调用变速器壳体有限元模型；
6）在Nastran软件中进行拓扑优化计算，得到最终的变速器壳体拓扑优化计算结果。
本发明的有益效果在于：本发明简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法，借助于Nastran自身能够提供上千种计算卡片命令调用的功能，使其在拓扑优化过程中具有快速生成仿真模型，参数更换便利、修改赋值准确率高，拓扑优化过程耗时少等特点。应用实践表明Nastran卡片快速修改参数的拓扑优化方法，对复杂零件拓扑优化模型生成具有良好的适应性。
附图说明
图1为本发明Nastran卡片生成拓扑优化文件编译流程图；
图2为本发明实施例结构图；
图3为本发明参数修改流程图；
图4为本发明实施例最终变速器壳体拓扑优化计算结果图。
具体实施方式
通过在Nastran优化文件中修改相关卡片内容，进行参数快速修改。具体过程如下：
1.优化参数的确定：
为使变速器壳体能够达到强度、刚度要求，选取一档及倒档工况为主要研究工况。
静态优化中，施加的载荷是静载荷，确立以结构的柔度最小为目标函数（即刚度最大），优化后的体积为约束条件，设计区域中各单元的属性为设计变量的数学模型。
模型：X={x1,x2,……,xn}T （1）
目标函数Min：C=FTU （2）
约束条件 （3）
式中，xe(e=1,2, ……,n)为设计变量中结构单元的属性；C为结构的总体柔度；F为力列向量；U为位移矩阵；k为剩余材料百分比；V1为优化后剩余材料的总体积；V0为设计区域的体积；xmax和xmin分别为结构单元相对属性的下限和上限。
动态优化中，施加的载荷是动载荷，动载荷作用下的结构响应会依赖于其固有频率，为避开固有频率防止结构产生共振，在动态优化计算中还需要考虑一阶模态。模态能直观反映结构的固有振动特性。所以在参数有所不同。
动态优化参数的确定：
(1)目标函数：结构柔度最小；
(2)约束条件：优化后的体积及一阶模态最小值大于600Hz；
(3)设计变量：变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型中各单元的属性。
2.建立Nastran优化文件：
Nastran卡片拓扑优化文件按照编译的先后顺序由图1所示的三个部分组成。
第一部分的执行控制段语句主要是用来给定执行作业分析解法的类型，根据静力学计算、模态计算或者优化计算给出与之对应的作业类型，从而激活该作业类型卡片的内容；第二部分工况控制段语句主要包括：整个拓扑优化的分析类型（静态分析、动态分析等），工况的设定（单工况还是多工况）等相关卡片设置。第三部分是Nastran卡片快速修改参数的核心部分，Nastran卡片快速修改模型参数（载荷与约束函数）均在这一部分内完成。
3.修改载荷参数：
表1为Nastran卡片法拓扑优化文件力卡片设置表，其中SID表示载荷的ID号，G表示受载节点的ID号，CID表示坐标系ID号，N表示比例因子（若为1则表示此节点所受载荷大小即为N1、N2、N3的矢量大小；若为2则表示该节点实际所受载荷的大小是两倍的N1、N2、N3方向的矢量大小），N1、N2、N3则代表该节点分别在X、Y、Z轴上所受力的矢量大小。
表1
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| FORCE | SID | G | CID | N | N1 | N2 | N3 |
修改模型所受载荷大小时，只需要将载荷计算软件得出的载荷计算结果直接覆盖N1、N2、N3三个数值，即完成对所有载荷的数值修改工作。
4.通过在Nastran拓扑优化文件中编译“INCLUDE”卡片命令来调用变速器壳体有限元模型。
5.在Nastran软件中进行拓扑优化计算，得到最终的变速器壳体拓扑优化计算结果。
6.以某轿车用五档变速器壳体拓扑优化为例，具体实施方式如下：
（1）根据目标变速器内部齿轮、齿轴以及换挡机构布置结构，建立初始最大包络模型，即变速器壳体的初始设计空间。然后在HyperMesh有限元前处理软件中对由前壳体、后壳体及两个支撑件组成的变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型进行网格划分，并对其施加一档及倒档所受的载荷；经拓扑优化初步计算，形成如图2所示的由前壳体②、后壳体③及两个支撑件①和④组成的变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型。
（2）确立以结构的柔度最小为目标函数（即刚度最大），优化后的体积为约束条件，设计区域中各单元的属性为设计变量的数学模型；
（3）用最终确定的目标函数及约束函数编译Nastran拓扑优化文件；
（4）目标变速器壳体中共有8个轴承孔，每一个轴承孔处受到来自X，Y，Z三个方向共6个载荷（包括力和力矩），每档位工况下有48个轴承孔载荷参数；与前、后壳体链接的支撑件8个载荷；每工况共计56载荷参数。每进行一次壳体模型修改，都需替换由变速器齿轴Masta计算软件中获得的一、倒档两工况，共计112个载荷参数。将最终确定的112个载荷参数一次性导入到Nastran拓扑优化文件，完成载荷参数的快速修改。
（5）将修改112个载荷参数的Nastran优化文件导入到Nastran软件中，通过“INCLUDE”卡片命令调用变速器壳体有限元模型进行变速器壳体拓扑优化计算，参数修改流程如图3所示。经过多次试算，得到如图4所示最终变速器壳体拓扑优化计算结果。
通过这种利用Nastran卡片调用功能简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法能快速修改载荷参数，减轻参数修改过程中参数输入工作量，提高参数替换准确度及工作效率。
Claims (1)
1.一种简化变速器壳体拓扑优化模型参数修改的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)根据目标变速器结构，建立初始最大包络模型，为使变速器壳体能够达到强度、刚度要求，选取一档及倒档工况为研究工况，对变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型进行网格划分，并对其施加一档及倒档所受的载荷，经拓扑优化初步计算，形成变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型；
2)优化分析类型参数的确定：以结构的柔度最小为目标函数，优化后的体积为约束条件，以步骤1)变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型中各单元的属性为设计变量的数学模型，具体如下；
为使变速器壳体能够达到强度、刚度要求，选取一档及倒档工况为主要研究工况：
静态优化中，施加的载荷是静载荷，确立以结构的柔度最小为目标函数，即刚度最大，优化后的体积为约束条件，设计区域中各单元的属性为设计变量的数学模型：
模型：X＝{x1,x2,……,xn}T (1)
目标函数Min：C＝FTU (2)
约束条件
式中，xe为设计变量中结构单元的属性，e＝1,2,……,n；C为结构的总体柔度；F为力列向量；U为位移矩阵；k为剩余材料百分比；V1为优化后剩余材料的总体积；V0为设计区域的体积；xmax和xmin分别为结构单元相对属性的下限和上限；动态优化参数的确定如下：
目标函数：结构柔度最小；
约束条件：优化后的体积及一阶模态最小值大于600Hz；
设计变量：变速器壳体结构初始拓扑优化分析模型中各单元的属性；
3)Nastran卡片拓扑优化文件编译：
A:用执行控制段语句给定优化作业分析计算法类型；
B:用工况控制段语句给定优化分析类型、工况设定；
C:用数据段语句编译Nastran卡片，包卡片包括载荷的ID号、受载节点的ID号、坐标系ID号、受载荷比例因子；
4)将载荷计算软件得出的载荷计算结果一次性导入到步骤3)所得的Nastran拓扑优化文件中，完成载荷参数的快速修改；
5)通过在Nastran拓扑优化文件中编译“INCLUDE”卡片命令来调用变速器壳体有限元模型；
6)在Nastran软件中进行拓扑优化计算，得到最终的变速器壳体拓扑优化计算结果。
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