CN106845013B - 一种齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，包括：建立齿轮传动箱体内、外筋板结构的初始拓扑模型；确定初始拓扑模型的优化区；确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向；确定初始拓扑模型的位移特征；根据优化区、成员特征、加工方向和位移特征进行初始拓扑模型的拓扑优化，逐步建立容器实体的有限元模型。保证了箱体的结构刚度和谐振强度的不同工况适应性。并且没有明显提高结构重量。

Description

一种齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法
技术领域
本发明涉及一种结构优化方法，特别是涉及一种齿轮传动箱体结构的优化方法。
背景技术
结构拓扑优化方法是融合了拓扑学和计算机技术，并应用在计算力学以及图像处理等领域的一种新兴技术。拓扑优化在给定区域内，寻求结构的某种布局(如结构有无孔洞、孔洞的位置、数量以及结构的连接方式等)，使其能够在满足一定约束的条件下，设计目标最优(如结构质量最轻)。结构拓扑优化使得人们在结构设计中不再局限于被动地对给定结构方案进行分析校核，而是主动地在结构分析的基础上寻找最优结构。
变速器、分动器箱体作为薄壁箱体结构，为了增强轴承位附近结构强度以及提高箱体整体的刚强度，往往需要在箱体壁面设计多个内、外加强筋板。箱体筋板的设计主要依赖于可利用的自由空间及设计人员经验，往往存在筋板布置过多而在关键位置又没有筋板的情况，很难实现加强筋板的最优化布置，这样一方面增加了箱体的整体重量，而箱体薄弱位置又未必得到有效增强。如何对齿轮箱加强筋板进行优化设计，在重量最小的条件下实现箱体刚强度的最有效增强需要可靠的优化方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，解决缺乏有效优化方法化方法应用于齿轮箱体结构设计的技术问题。
本发明的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，包括：
建立齿轮传动箱体内、外筋板结构的初始拓扑模型；
确定初始拓扑模型的优化区；
确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向；
确定初始拓扑模型的位移特征；
根据优化区、成员特征、加工方向和位移特征进行初始拓扑模型的拓扑优化，逐步建立容器实体的有限元模型。
所述建立齿轮传动箱体内、外筋板结构的初始拓扑模型包括：
建立容器实体的空间外廓；
挖空容器实体局部形成的安装部件空间；
增加容器实体的冗余厚度；
确定安装部件的空间高度。
所述确定初始拓扑模型的优化区包括：
对初始拓扑模型进行有限元网格划分前，对初始拓扑模型进行网格离散，划分优化区和非优化区。
所述非优化区包括：
各关联面环边部分、轴承位位置和轴承位所在容器实体的底板区域。
所述确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向包括：
最小成员尺寸约束和最大成员尺寸约束。
所述确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向包括：
双向拔模约束，第一个拔模方向点选择在容器实体的底板区域，第二个拔模方向点选择在靠近容器实体起虚拟分割作用的实体表面区域，第二个拔模方向点与第一个拔模方向点的连线矢量方向指向虚拟分割的实体表面。
所述确定初始拓扑模型的位移特征包括：
确定的实际安装固支点的位移特征设置为全约束，容器实体的法向位移特征设置为各关联面环边约束。
所述进行初始拓扑模型的拓扑优化，逐步建立容器实体的有限元模型包括：
以容器实体的体积分数、加载点位移和第一阶模态频率为约束条件，设置拓扑优化过程中待优化特征的参数范围，拓扑优化过程中各工况分析步骤的加权系数相等，逐步形成齿轮传动箱体内、外筋板结构的有限元模型。
所述优化特征包括材料属性、载荷、位移边界。
所述以容器实体的体积分数、加载点位移和第一阶模态频率为约束条件包括：
体积分数设置为0.25，加载点位移设置为1mm，第一阶模态频率设置为600Hz。
本发明的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法尤其适合容纳工况轴承和齿轮的箱体的结构优化。保证了箱体的结构刚度和谐振强度的不同工况适应性。并且没有明显提高结构重量。
附图说明
图1为本发明齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法一实施例的流程图。
图2为本发明齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法一实施例中前箱体初始拓扑模型的具体结构示意图。
图3为本发明齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法一实施例中后箱体初始拓扑模型的具体结构示意图。
图4为本发明齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法一实施例中形成建立有限元模型的前箱体内外侧筋板优化结果示意图。
图5为本发明齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法一实施例中形成建立有限元模型的后箱体内外侧筋板优化结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本实施例中齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法包括：
步骤10：建立齿轮传动箱体内、外筋板结构的初始拓扑模型。
初始拓扑模型包括形成初始拓扑空间。以形成空间容器为例，包括但不限于容器实体的空间外廓，容器实体内，挖空容器实体局部形成的安装部件空间，增加容器实体的冗余厚度，确定安装部件的空间高度(如轴承位高度)。
步骤20：确定初始拓扑模型的优化区。
在对初始拓扑模型进行有限元网格划分(例如利用HyperMesh)前，对初始拓扑模型进行网格离散，划分优化区和非优化区。以容器空间为例，将容器实体的各关联面环边部分，轴承位位置，轴承位所在容器实体的底板区域等划分为非优化区。容器实体的其他部分划分为优化区，进行网格划分。
步骤30：确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向。
在拓扑优化前首先对初始拓扑模型的成员特性进行尺寸约束，包括最小成员尺寸和最大成员尺寸。还包括对模型拔模方向的约束，优选双向拔模约束，第一个拔模方向点选择在容器实体的底板区域，第二个拔模方向点选择在靠近容器实体起虚拟分割作用的实体表面区域，第二个拔模方向点与第一个拔模方向点的连线矢量方向指向虚拟分割的实体表面。
步骤40：确定初始拓扑模型的位移特征。
确定初始拓扑模型的实际安装固支点位置，实际安装固支点的位移特征设置为全约束，容器实体的法向位移特征设置为各关联面环边约束。
步骤50：进行初始拓扑模型的拓扑优化，逐步建立容器实体的有限元模型。
以容器实体的体积分数、加载点位移和第一阶模态频率为约束条件，设置拓扑优化过程中待优化特征的参数范围，拓扑优化过程中各工况分析步骤的加权系数相等，逐步形成齿轮传动箱体内、外筋板结构的有限元模型。
拓扑优化设置加权应变能(weighted compliance)作为优化目标。
优化特征包括但不限于材料属性、载荷、位移边界。
一种约束条件的设置，采用容器实体的体积分数设置为0.25，加载点位移设置为1mm，第一阶模态频率设置为600Hz。
本发明实施例的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布。尤其是针对变速器、分动器箱体等薄壁箱体结构，可以在维持箱体整体重量的基础上实现轴承位及箱体整体的必要刚强度实现齿轮传动箱体结构内、外侧筋板的拓扑优化设计，实现箱体结构的轻量化设计，加快了产品设计周期，提高了设计效率。
如图2至图5所示，为利用本发明实施例的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法对一个电驱两档传动箱体的齿轮传动箱体的筋板的具体拓扑优化过程。如图2和图3所示，箱体初始拓扑空间的建立，首先建立齿轮传动箱的箱体的初始拓扑空间，包括将箱体内部齿轮外廓空间、安装部件空间挖空，箱体外部增加一定厚度，包络轴承位高度。
如图2和图3所示，建立两档箱前、后箱体初始拓扑优化模型，并设置优化区和非优化区。
在HyperMesh软件中将建立的初始拓扑模型进行网格离散，设置模型的优化区和非优化区。将箱体结合面边环边、轴承位位置、轴承位所在底板区域设置为非优化区。环边、轴承位及轴承位所在底板非优化区的厚度设置为5mm左右。
对初始拓扑模型的成员优化参数及确定加工方向约束。在topology模块下设置成员尺寸及拔模方向约束。最小成员尺寸设置为8mm，最大成员尺寸设置为20mm，拔模方向设置为双向拔模约束，第一个拔模方向点选择轴承位所在底板上的一点，第二点选择靠近箱体分箱面一侧一点，该点与第一点的连线矢量方向指向分箱面。
位移约束条件的建立。将箱体优化模型的固支点位置全约束，将箱体结合面区域的环边约束法向位移。
进行初始拓扑模型的拓扑优化，逐步建立容器实体的有限元模型。给定材料属性、载荷、位移边界及优化参数，多工况下设置加权应变能(weighted compliance)为优化目标，每一分析步加权系数相等。以体积分数、加载点位移和第一阶模态频率为约束条件，体积分数设置为0.25，加载点位移设置为1mm，第一阶模态频率设置为600Hz。
如图4和图5所示，根据上述优化分析步骤及设置，优化得到二档箱前、后箱体内外侧筋板的结构。该优化方法能够满足实现齿轮传动箱内、外侧齿轮传动箱体内、外筋板结构的拓扑优化，实现箱体轻量化设计。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，包括：
建立齿轮传动箱体内、外筋板结构的初始拓扑模型；
确定初始拓扑模型的优化区；
确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向；
确定初始拓扑模型的位移特征；
根据优化区、成员特征、加工方向和位移特征进行初始拓扑模型的拓扑优化，逐步建立容器实体的有限元模型；
所述建立齿轮传动箱体内、外筋板结构的初始拓扑模型包括：
建立容器实体的空间外廓；
挖空容器实体局部形成的安装部件空间；
增加容器实体的冗余厚度；
确定安装部件的空间高度；
所述确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向包括：
双向拔模约束，第一个拔模方向点选择在容器实体的底板区域，第二个拔模方向点选择在靠近容器实体起虚拟分割作用的实体表面区域，第二个拔模方向点与第一个拔模方向点的连线矢量方向指向虚拟分割的实体表面；
所述确定初始拓扑模型的优化区包括：
对初始拓扑模型进行有限元网格划分前，对初始拓扑模型进行网格离散，划分优化区和非优化区；所述非优化区包括：各关联面环边部分、轴承位位置和轴承位所在容器实体的底板区域；
所述确定初始拓扑模型的位移特征包括：
确定的实际安装固支点的位移特征设置为全约束，容器实体的法向位移特征设置为各关联面环边约束。
2.如权利要求1所述的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，其特征在于，所述确定初始拓扑模型的成员特征和加工方向包括：
最小成员尺寸约束和最大成员尺寸约束。
3.如权利要求1所述的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，其特征在于，所述进行初始拓扑模型的拓扑优化，逐步建立容器实体的有限元模型包括：
以容器实体的体积分数、加载点位移和第一阶模态频率为约束条件，设置拓扑优化过程中待优化特征的参数范围，拓扑优化过程中各工况分析步骤的加权系数相等，逐步形成齿轮传动箱体内、外筋板结构的有限元模型。
4.如权利要求3所述的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，其特征在于，所述优化特征包括材料属性、载荷、位移边界。
5.如权利要求4所述的齿轮传动箱体内、外筋板结构拓扑优化方法，其特征在于，所述以容器实体的体积分数、加载点位移和第一阶模态频率为约束条件包括：
体积分数设置为0.25，加载点位移设置为1mm，第一阶模态频率设置为600Hz。
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