CN107315871B - 变速箱箱体优化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种变速箱箱体优化方法和装置，属于结构轻量化设计技术领域。本发明实施例提供的变速箱箱体优化方法和装置，根据箱体的表面应力分布情况，确定相对薄弱位置，绘制各个危险点的张量图，并确定应变片种类和贴片方向；根据载荷采集试验的结果，获取动载系数，修正箱体的载荷；再根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行拓扑优化，并重构新拓扑结构模型；对重构后的模型进行灵敏度分析；根据所述灵敏度分析的结果，对变速箱箱体进行尺寸优化，从而进一步减轻箱体的重量，提高箱体的应力分布，使材料得到更充分的利用。该方法充分考虑了箱体在各个工况下的载荷，对箱体结构进行优化，使箱体的结构更加合理，性能得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及结构轻量化设计技术领域，具体而言，涉及一种变速箱箱体优化方法和装置。
背景技术
变速箱是传动系统的核心部件，其主要目的是改变发动机输出的转矩与转速，以适应车辆在起步、转弯、爬坡、加速等行驶工况下对牵引力和车速的需求。变速箱包括齿轮副、支撑轴承、传动轴、换挡离合器和箱体等部件，各个零部件之间相互作用、制约且影响。箱体作为传动系统的重要部件，不仅要承受齿轮啮合传动造成的载荷，还要保证在长期运转中不能发生影响使用的变形，其性能和重量对整个系统的动力性、经济性、传动的平稳性与效率等都有直接的影响。
传统的变速箱箱体设计主要依靠经验法，参照已完成的相同或类似任务中较为成熟的设计方案，辅以必要的分析计算，在强度和刚度较弱的位置增加壁厚或布置加强筋。但由于箱体结构和载荷的复杂性，很难选取最佳壁厚和在最佳位置布置加强筋，为了降低出现故障或损坏的概率，一般会取一个较大的安全系数，增加了箱体的重量，使车辆在行驶过程中增加油耗，不利于节能减排。同时，传统的变速箱箱体设计方法整个设计过程耗时长、效率低，不能满足现代企业寻求高效的需要。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种变速箱箱体优化方法和装置，可以使变速箱箱体的结构更合理，减轻变速箱箱体的重量。
第一方面，本发明实施例提供了一种变速箱箱体优化方法，包括：
根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型；
根据已知的传动路线计算在各个工况下齿轮的啮合力，根据所述齿轮的啮合力确定箱体在各个工况下的初步载荷，对箱体在各个工况下的初步载荷进行有限元初步分析，获取箱体的表面应力分布情况；
根据箱体在各个工况下的表面应力分布情况，在有限元模型上，确定危险点位置，并绘制各个危险点的张量图；
根据危险点的位置和各个危险点的张量图，确定粘贴应变片的位置、各个位置粘贴的应变片的类型和粘贴方向；以使测试人员在箱体的对应位置粘贴应变片，进行载荷分布测试；
针对各个工况，采集各个应变片测量的各个危险点的应变，对所述应变进行数据处理，根据所述数据处理的结果，确定箱体的动载系数；
根据箱体的动载系数，对各个工况下的初步载荷进行修正，得到修正后的载荷；
根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型的步骤，包括：
根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的几何模型；
导入几何模型，对模型进行清理和简化，得到简化模型；
对所述简化模型进行网格划分，得到箱体的有限元模型。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，对所述简化模型进行网格划分，包括：
采用四面体单元对简化模型进行网格划分。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述应变片的类型包括单轴应变片和三轴应变片。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述采集各个应变片测量的各个危险点的应变，对所述应变进行数据处理，根据所述数据处理的结果，确定箱体的动载系数的步骤，包括：
采集设定时间内各个危险点的应变；所述设定时间处于各个工况平稳运行时间段内，所述应变为应变量随时间的变化情况；
根据各个危险点的应变，计算在设定时间内箱体的应变量的平均值和应变量波动的最大幅值；
根据所述应变量波动的最大幅值和所述应变量的平均值，确定箱体的动载系数。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化的步骤，包括：
根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化；
根据所述多工况拓扑优化的结果，对箱体的有限元模型进行重构；
对重构后的有限元模型进行灵敏度分析；
根据所述灵敏度分析的结果，对变速箱箱体进行尺寸优化。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化的步骤，包括：
根据修正后的载荷，优化箱体的有限元模型在各个工况下对应的单工况柔度，优化模型为：
其中，C(x)为单工况柔度目标函数；FT为修正后的载荷的转置，U为节点的位移矢量、UT为U的转置，K为初始的刚度矩阵；V(x)为单工况体积函数，ve为网格划分得到的第e个网格单元的体积，xe为网格划分得到的第e个网格单元的密度变量；f为体积约束分数，V0为初始体积，X为有限元模型的总设计区域。
根据优化得到的单工况柔度，通过迭代算法对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化，优化模型为：
其中，ρ1,ρ2,…,ρn为网格单元对应的设计变量；m为载荷工况的总数；N为网格单元的总数；ve为第e个单元的体积；λ为体积约束分数；ωk为第k个工况的权值，p为设定的惩罚因子；Ck(ρ)为迭代过程中第k个工况的柔度；分别是第k个工况柔度目标函数的最小值和最大值。
结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述对重构后的有限元模型进行灵敏度分析，包括：
依据厚度和功能不同的基本原则，将需要优化的设计空间分成多个区域，并将各区域的厚度选定为设计变量；
计算每个设计变量的性能灵敏度，所述性能灵敏度包括对于各个工况的柔度和频率的灵敏度；
计算每个设计变量相对于箱体整体质量的质量灵敏度；
根据所述性能灵敏度和所述质量灵敏度的比值，得到相对灵敏度值；
选取相对灵敏度小于设定阈值的设计变量，作为待优化的设计变量。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：
对待优化的有限元模型进行动态性能分析和静态性能分析，得到优化前性能分析结果；
对优化后的有限元模型进行动态性能分析和静态性能分析，得到优化后性能分析结果；
将优化前和优化后的性能分析结果进行比较，判断比较结果是否满足设定指标；
如果否，根据多工况拓扑优化的结果，再次对箱体的有限元模型进行重构。
第二方面，本发明实施例还提供了一种变速箱箱体优化装置，包括：
模型建立单元，用于根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型；
危险点确定单元，根据已知的传动路线计算在各个工况下齿轮的啮合力，根据所述齿轮的啮合力确定箱体在各个工况下的初步载荷，对箱体在各个工况下的初步载荷进行有限元初步分析，获取箱体的表面应力分布情况；根据箱体在各个工况下的表面应力分布情况，在有限元模型上，确定危险点位置，并绘制各个危险点的张量图；根据危险点的位置和各个危险点的张量图，确定粘贴应变片的位置、各个位置粘贴的应变片的类型和粘贴方向；以使测试人员在箱体的对应位置粘贴应变片，进行载荷分布测试；
动载系数计算单元，用于针对各个工况，采集各个应变片测量的各个危险点的应变，对所述应变进行数据处理，根据所述数据处理的结果，确定箱体的动载系数；
载荷修正单元，用于根据箱体的动载系数，对各个工况下的初步载荷进行修正，得到修正后的载荷；
优化单元，用于根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的变速箱箱体优化方法和装置，根据箱体在各个工况下的初步载荷和表面应力分布情况，确定相对薄弱位置，结合张量分析，确定应变片种类和贴片方向，并绘制各个危险点的张量图；根据各个应变片测量的各个危险点的应变，修正箱体的载荷；再根据修正后的载荷，对变速箱箱体进行优化，进一步减轻箱体的重量，提高箱体的应力分布，使材料得到更充分的利用。该方法充分考虑了箱体在各个工况下的载荷，对箱体结构进行优化，使箱体的结构更加合理，性能得到提高。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例所提供的变速箱箱体优化方法的流程图；
图2为图1中步骤S107的一种具体实现方式的流程图；
图3为图1中步骤S107的另一种具体实现方式的流程图；
图4为本发明一实施例所提供的变速箱箱体优化装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有的变速箱箱体设计方法无法合理降低变速箱箱体重量的问题。本发明实施例提供了一种变速箱箱体优化方法和装置，以下首先对本发明的变速箱箱体优化方法进行详细介绍。
实施例一
该实施例提供了一种变速箱箱体优化方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S101，根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型。
具体地说，步骤S101又可以包括以下几个步骤：
根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的几何模型；
导入几何模型，对模型进行清理和简化，得到简化模型；例如，用于安装附件的小孔、凸台和凹槽等细小的特征可以去除，尖角、小点、小面等应修补和缝合，从而减小网格划分时的计算量。
对简化模型进行网格划分，得到箱体的有限元模型。
例如，针对待优化的某型号的变速箱箱体，建立箱体的ProE几何模型，该几何模型主要由五大部分组成：前箱体、后箱体、左端盖、右端盖和前盖，然后通过多个连接螺栓连接而成一个组合式箱体，总重量421.66kg。箱体的表面有很多用于安装附件的孔洞、凸台和润滑油管道，箱体的内部布置了很多轴承孔座。箱体的细部功能结构还有局部加强的加强筋，定位安装的销孔，散热和润滑的油道等等。
将建立的ProE几何模型另存为IGES格式，然后导入到有限元前处理软件HyperMesh中。有限元模型是对几何模型的一种近似，在尽可能如实反映箱体结构的主要力学特性前提下，应尽量先对几何模型进行简化和清理，以便有限元模型采用较少的单元和较简单的形态。对箱体结构上所有的细节进行分析，对各种工况下均不负载荷的结构进行简化和清理，这样可以避免多次反复，提高建模效率。
对简化模型进行网格划分，首先要考虑单元的类型和单元尺寸。关于单元类型，实体模型划分网格时，常采用四面体或六面体单元。四面体单元较六面体单元更适合用于结构复杂的模型，因为其边界条件的适应性更强，单一类型的四面体单元模型也可以获得比较高的精度。关于单元尺寸，应综合考虑计算精度和计算量，在薄弱位置采用小尺寸网格，提高计算精度，非薄弱部位可以采用较大尺寸的网格，以减少计算量。在箱体厚度方向应保证至少三层网格单元，关键区域处的圆孔周围应该至少有12个单元，圆角处至少有3-4个单元。变速箱的结构比较复杂，因此采用四面体单元划分网格，单元尺寸分布在5-20mm之间。对每个网格单元的属性进行设置，所述属性包括网格单元所属的结构，所使用的材料等，并对结构连接处的螺栓连接方式进行模拟，得到有限元模型。
步骤S102，根据已知的传动路线计算在各个工况下齿轮的啮合力，根据所述齿轮的啮合力确定箱体在各个工况下的初步载荷，对箱体在各个工况下的初步载荷进行有限元初步分析，获取箱体的表面应力分布情况。
确定箱体的初步载荷，是指采用手工计算而来的载荷作为初始边界，通过有限元分析初步确定零件的载荷空间分布情况。例如，待优化的变速箱的综合传动装置采用三自由度、定轴动力换挡变速箱，变速箱工作过程中，箱体的受力是通过齿轮啮合力作用到传动轴上，通过轴承座产生的支反力使整个系统处于平衡状态。因此，需要计算轴承座的支反力，作为箱体的初步载荷。
有限元模型一共有7个工况，或称载荷步，包括一挡转向工况和2-6挡前进工况和倒挡工况。
步骤S103，根据箱体在各个工况下的表面应力分布情况，在有限元模型上，确定危险点位置，并绘制各个危险点的张量图。
考虑到危险点(以下称测点)选取只关心零件表面的应力，载荷采集无法直接测量实体单元的应力或应变，因此可以在三维模型的外表面覆盖一层二维壳单元(设置厚度为0.01mm)来计算体表面的应力，这样既不影响应力本身，还能把结果输出位置设置到了想要的位置，由于只需要查看边界的应力，可以大幅度提高后处理的速度。
综合考虑左右工况下的有限元分析结果，兼顾最大应力部位的同时，还考虑了测点的可测量性和箱体载荷的空间分布特点。在实际采集载荷的过程中，还要根据箱体的实际工作情况和测点布置部位的可操作性对测点进行适当的取舍。
步骤S104，根据危险点的位置和各个危险点的张量图，确定粘贴应变片的位置、各个位置粘贴的应变片的类型和粘贴方向；以使测试人员在箱体的对应位置粘贴应变片，进行载荷分布测试。
选取好测点位置之后，还要制定贴片方案。贴片方案的依据是测点的张量图，张量图可以显示其主应力方向，需综合考虑测点在每个载荷步的主应力方向。如若在各个载荷下，测点的主应力方向不变，则选择单轴应变片，贴片方向沿着主应力方向；否则，采用三轴应变片，或称三向45°应变花，贴片方向参照箱体的几何特征，目的是便于后期数据处理时确定测点的主应力方向。
步骤S105，针对各个工况，采集各个应变片测量的各个危险点的应变，对所述应变进行数据处理，根据所述数据处理的结果，确定箱体的动载系数。
采集设定时间内各个危险点的应变；所述设定时间处于各个工况平稳运行时间段内，所述应变为应变量随时间的变化情况。例如，依据试验中所记录的时间以及试验中所拍的照片的时间对其进行每个挡位的时间段划分。对各个挡位平稳运行时间中，截取了其中30秒，并对这30秒利用Ncode9.0软件进行处理，可以得到动态载荷谱应变，静态载荷谱和动载系数的均值，最大值和最小值，之所以取平稳运行的30s，是因为这里的动载来源的齿轮不平稳运行造成的。
根据各个危险点的应变，计算在设定时间内箱体的应变量的平均值和应变量波动的最大幅值。
根据应变量波动的最大幅值与应变量的比值，确定箱体的动载系数。
经过以上处理，获得了各个危险点的6个挡位的应变最大值、最小值和平均值。选择需要动载系数的支撑是依据前面有限元分析时所加轴承支反力位置。若该支撑在该挡位存在轴承支反力，则赋予动载系数；若没有，则不赋予动载系数。选择与轴承位置最为接近的测点的动载系数作为该轴承的动载系数的近似值,如果存在多个测点与该轴承孔的距离相近，则这几个测点都被选择。
步骤S106，根据箱体的动载系数，对各个工况下的初步载荷进行修正，得到修正后的载荷。
步骤S107，根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化。
在一具体实施例中，步骤S107可以采用如图2所示的方式实现，包括：
步骤S10711，根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化。
首先，根据修正后的载荷，优化箱体的有限元模型在各个工况下对应的单工况柔度。
然后，根据优化得到的单工况柔度，通过迭代算法对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化。具体的优化模型可以参照下述步骤S10722的描述。
步骤S10712，根据多工况拓扑优化的结果，对箱体的有限元模型进行重构。
针对待优化的变速箱箱体，为了建模方便，可以把零件的一部分划分成2D单元，其他部分划分成实体单元。由于2D单元每个节点具有6个自由度，而实体单元只有3个平动自由度，如果直接采用共节点的连接方法将无法正确传递转矩，因此将2D单元伸进实体单元2层(或＞2层)。
依照上述方法，按照厚度不同和功能区分的基本原则，将需要优化的结构分成若干区域，每个区域的厚度对应一个设计变量，重构有限元模型。
步骤S10713，对重构后的有限元模型进行灵敏度分析。
采用Optistruct模块对变速箱箱体进行结构灵敏度分析和优化设计，选取液力一挡转向工况、液力二、三挡的前进工况、机械四、五、六挡的前进工况和液力倒挡转向工况的柔度，约束模态的一阶固有频率值作为状态变量。为了提高优化效率，利用灵敏度分析来选定对状态变量影响比较大的设计变量。分别计算每个设计变量对状态变量的灵敏度SM、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S-1和Sf。
在计算与箱体性能相关的灵敏度基础上，与质量灵敏度对比，从提高性能和减重的角度出发，计算相对灵敏度S1/SM、S2/SM、S3/SM、S4/SM、S5/SM、S6/SM、S-1/SM和Sf/SM。选取相对灵敏度值较小的变量，减小其厚度可以有效地减少箱体重量。
步骤S10714，根据所述灵敏度分析的结果，对变速箱箱体进行尺寸优化。所述尺寸优化的设计变量为壳单元的厚度。
在另一具体实施例中，步骤S107可以采用如图3所示的方式实现，包括：
步骤S10721，对待优化的有限元模型进行动态性能分析和静态性能分析，得到优化前性能分析结果。
其中，动态性能分析指分析有限元模型的自由模态、约束模态的固有频率。
变速箱箱体在实际工作中受到的载荷情况非常复杂，在进行静态性能分析时不可能穷尽所有工况。本文在箱体受力分析的基础上，考虑了载荷分布预分析结果，在相应轴承孔的载荷乘以动载系数，通过Radioss运算，得到一挡转向工况、2-6挡前进工况和倒挡工况的有限元分析结果。在实际过程中，本文所研究的对象失效形式主要为表面发生裂纹，因此适用最大拉应力理论。综合所有工况的静态特性计算结果，排除应力集中的极端情况，变速箱箱体的最大应力和变形情况统计如表1所示。
表1
在所有工况中，变速箱箱体的变形情况基本相同，最大变形处均位于后箱体的中间支承肋板处，前端盖和左右端盖由于是约束位置，所以变形量几乎为零；应力较大的区域主要分布在后箱体的中间肋板、前箱体齿轮Z3和Z4的支撑板处，特别指出倒挡工况的倒挡轴附近应力较大，后期优化的时候应该加强所所有工况中，箱体的安全系数最小为2.04，所以箱体本身是满足静强度要求，且具有较大的余量。
步骤S10722，根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化。
首先，根据修正后的载荷，优化箱体的有限元模型在各个工况下对应的单工况柔度。
该步骤的目的是进行变速箱箱体单工况刚度拓扑优化。结构的刚度拓扑优化问题是在设计区域内寻求使得结构刚度最大的拓扑结构。在有限元求解时，通常将结构刚度最大化问题等效为结构的柔度最小化问题，柔度是结构的应变能，被认为是衡量结构刚度的尺度。基于变密度法的连续体拓扑优化数学模型如下：
其中，C(x)为单工况柔度目标函数；FT为修正后的载荷的转置，U为节点的位移矢量、UT为U的转置，K为初始的刚度矩阵；V(x)为单工况体积函数，ve为网格划分得到的第e个网格单元的体积，xe为网格划分得到的第e个网格单元的密度变量；f为体积约束分数，根据设计要求体积分数约束取0.3。V0为初始体积，X为有限元模型的总设计区域。
对于同一个优化对象和同一个目标函数，设计区域或约束函数不同，都会产生不同的优化结果。基于变密度法的连续体拓扑优化的设计变量为设计区域内单元的拓扑密度，将轴承座、部件配合面等不可动部位提取出来，作为非设计空间，将其余所有材料作为设计空间。下述的多工况拓扑优化针对设计空间进行。
然后，根据优化得到的单工况柔度，通过迭代算法对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化。
以柔度作为目标函数，由于每一个工况对应一个刚度的最优结构拓扑，不同的载荷工况将得到不同的结构拓扑。结构多目标拓扑优化，在本文指的是多个载荷工况下的刚度拓扑优化问题。
该实施例利用折衷规划法，得到以体积分数为约束，多工况的刚度为目标函数的拓扑优化数学模型：
其中，ρ1,ρ2,…,ρn为网格单元对应的设计变量；m为载荷工况的总数；N为网格单元的总数；ve为第e个单元的体积；λ为体积约束分数；ωk为第k个工况的权值，p为设定的惩罚因子；Ck(ρ)为迭代过程中第k个工况的柔度；分别是第k个工况柔度目标函数的最小值和最大值。
根据静态分析结果，定义原箱体结构的柔度值为目标函数中的通过对每个工况进行单工况刚度拓扑优化计算，得到拓扑优化的最优解定义为目标函数中的考虑到该箱体的设计寿命为800小时，各工况的加权因子ωk按照各挡工作时间百分比定义。
步骤S10723，根据多工况拓扑优化的结果，对箱体的有限元模型进行重构。
步骤S10724，对重构后的有限元模型进行灵敏度分析。
具体方法可以参照上述步骤S10713的记载。
步骤S10725，根据所述灵敏度分析的结果，对变速箱箱体进行尺寸优化。
步骤S10726，对优化后的有限元模型进行动态性能分析和静态性能分析，得到优化后性能分析结果。
步骤S10727，将优化前和优化后的性能分析结果进行比较，判断比较结果是否满足设定指标。如果否，返回执行步骤S10723，如果是，完成结构优化。
采用本实施例的方法对变速箱箱体进行优化重建，重建前后箱体各部分的质量如表2所示。
表2
从表2中可以看出，新箱体模型相对于原箱体，质量减小了46.59kg，减重比为10.90％。
新旧箱体的动态性能对比：不同固有频率下，箱体产生的振幅大小各异，振幅出现的位置也不同，转向处Zz2和Zz3齿轮的支撑座为薄弱处，这与原箱体的结构一致，前泵处的Z2齿轮支撑处和箱体的中间支撑处的振动特性得到改善。
新旧箱体静态性能对比：采用同样的载荷边界和位移边界进行静态分析计算，从最大应力方面分析，新箱体的个别工况最大应力有所升高，但仍处于安全范围内；从最大变形方面分析，新箱体的最大变形和原箱体对比基本相同。
实施例二
图4示出了该实施例所提供的变速箱箱体优化装置的结构框图。如图4所示，该装置包括：
模型建立单元41，用于根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型；
危险点确定单元42，用于根据已知的经验值，确定箱体在各个工况下的初步载荷和表面应力分布情况；根据箱体在各个工况下的表面应力分布情况，在有限元模型上，确定危险点位置，并绘制各个危险点的张量图；根据危险点的位置和各个危险点的张量图，确定粘贴应变片的位置、各个位置粘贴的应变片的类型和粘贴方向；以使测试人员在箱体的对应位置粘贴应变片，进行载荷分布测试；
动载系数计算单元43，用于针对各个工况，采集各个应变片测量的各个危险点的应变，根据各个危险点的应变，确定箱体的动载系数；
载荷修正单元44，用于根据箱体的动载系数，对各个工况下的初步载荷进行修正，得到修正后的载荷；
优化单元45，用于根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化。
本发明实施例提供的变速箱箱体优化方法和装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种变速箱箱体优化方法，其特征在于，包括：
根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型；
根据已知的传动路线计算在各个工况下齿轮的啮合力，根据所述齿轮的啮合力，确定箱体在各个工况下的初步载荷，对箱体在各个工况下的初步载荷进行有限元初步分析，获取箱体的表面应力分布情况；
根据箱体在各个工况下的表面应力分布情况，在有限元模型上，确定危险点位置，并绘制各个危险点的张量图；
根据危险点的位置和各个危险点的张量图，确定粘贴应变片的位置、各个位置粘贴的应变片的类型和粘贴方向；以使测试人员在箱体的对应位置粘贴应变片，进行载荷分布测试；
针对各个工况，采集各个应变片测量的各个危险点的应变，对所述应变进行数据处理，根据所述数据处理的结果，确定箱体的动载系数；
根据箱体的动载系数，对各个工况下的初步载荷进行修正，得到修正后的载荷；
根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化；
所述根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化的步骤，包括：
根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化；
根据所述多工况拓扑优化的结果，对箱体的有限元模型进行重构；
对重构后的有限元模型进行灵敏度分析；
根据所述灵敏度分析的结果，对变速箱箱体进行尺寸优化；
根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化的步骤，包括：
根据修正后的载荷，优化箱体的有限元模型在各个工况下对应的单工况柔度，优化模型为：
其中，C(x)为单工况柔度目标函数；FT为修正后的载荷的转置，U为节点的位移矢量、UT为U的转置，K为初始的刚度矩阵；V(x)为单工况体积函数，ve为网格划分得到的第e个网格单元的体积，xe为网格划分得到的第e个网格单元的密度变量；f为体积约束分数，V0为初始体积，X为有限元模型的总设计区域；
根据优化得到的单工况柔度，通过迭代算法对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化，优化模型为：
其中，ρ1,ρ2,…,ρn为网格单元对应的设计变量；m为载荷工况的总数；N为网格单元的总数；ve为第e个单元的体积；λ为体积约束分数；ωk为第k个工况的权值，q为设定的惩罚因子；Ck(ρ)为迭代过程中第k个工况的柔度；分别是第k个工况柔度目标函数的最小值和最大值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型的步骤，包括：
根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的几何模型；
导入几何模型，对模型进行清理和简化，得到简化模型；
对所述简化模型进行网格划分，得到箱体的有限元模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述简化模型进行网格划分，包括：
采用四面体单元对简化模型进行网格划分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变片的类型包括单轴应变片和三轴应变片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集各个应变片测量的各个危险点的应变，对所述应变进行数据处理，根据所述数据处理的结果，确定箱体的动载系数的步骤，包括：
采集设定时间内各个危险点的应变；所述设定时间处于各个工况平稳运行时间段内，所述应变为应变量随时间的变化情况；
根据各个危险点的应变，计算在设定时间内箱体的应变量的平均值和应变量波动的最大幅值；
根据所述应变量波动的最大幅值和所述应变量的平均值，确定箱体的动载系数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对重构后的有限元模型进行灵敏度分析，包括：
依据厚度和功能不同的基本原则，将需要优化的设计空间分成多个区域，并将各区域的厚度选定为设计变量；
计算每个设计变量的性能灵敏度，所述性能灵敏度包括对于各个工况的柔度和频率的灵敏度；
计算每个设计变量相对于箱体整体质量的质量灵敏度；
根据所述性能灵敏度和所述质量灵敏度的比值，得到相对灵敏度值；
选取相对灵敏度小于设定阈值的设计变量，作为待优化的设计变量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对待优化的有限元模型进行动态性能分析和静态性能分析，得到优化前性能分析结果；
对优化后的有限元模型进行动态性能分析和静态性能分析，得到优化后性能分析结果；
将优化前和优化后的性能分析结果进行比较，判断比较结果是否满足设定指标；
如果否，根据多工况拓扑优化的结果，再次对箱体的有限元模型进行重构。
8.一种变速箱箱体优化装置，其特征在于，包括：
模型建立单元，用于根据待优化的变速箱箱体，建立箱体的有限元模型；
危险点确定单元，根据已知的传动路线计算在各个工况下齿轮的啮合力，根据所述齿轮的啮合力确定箱体在各个工况下的初步载荷，对箱体在各个工况下的初步载荷进行有限元初步分析，获取箱体的表面应力分布情况；根据箱体在各个工况下的表面应力分布情况，在有限元模型上，确定危险点位置，并绘制各个危险点的张量图；根据危险点的位置和各个危险点的张量图，确定粘贴应变片的位置、各个位置粘贴的应变片的类型和粘贴方向；以使测试人员在箱体的对应位置粘贴应变片，进行载荷分布测试；
动载系数计算单元，用于针对各个工况，采集各个应变片测量的各个危险点的应变，对所述应变进行数据处理，根据所述数据处理的结果，确定箱体的动载系数；
载荷修正单元，用于根据箱体的动载系数，对各个工况下的初步载荷进行修正，得到修正后的载荷；
优化单元，用于根据修正后的载荷，对所述变速箱箱体进行优化；
所述优化单元，还用于：根据修正后的载荷，对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化；
根据所述多工况拓扑优化的结果，对箱体的有限元模型进行重构；
对重构后的有限元模型进行灵敏度分析；
根据所述灵敏度分析的结果，对变速箱箱体进行尺寸优化；
所述优化单元，还用于：根据修正后的载荷，优化箱体的有限元模型在各个工况下对应的单工况柔度，优化模型为：
其中，C(x)为单工况柔度目标函数；FT为修正后的载荷的转置，U为节点的位移矢量、UT为U的转置，K为初始的刚度矩阵；V(x)为单工况体积函数，ve为网格划分得到的第e个网格单元的体积，xe为网格划分得到的第e个网格单元的密度变量；f为体积约束分数，V0为初始体积，X为有限元模型的总设计区域；
根据优化得到的单工况柔度，通过迭代算法对箱体的有限元模型进行多工况拓扑优化，优化模型为：
其中，ρ1,ρ2,…,ρn为网格单元对应的设计变量；m为载荷工况的总数；N为网格单元的总数；ve为第e个单元的体积；λ为体积约束分数；ωk为第k个工况的权值，q为设定的惩罚因子；Ck(ρ)为迭代过程中第k个工况的柔度；分别是第k个工况柔度目标函数的最小值和最大值。
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