基于水平集结构拓扑优化的自动变速器轻量化实现方法

专题

基于水平集结构拓扑优化的自动变速器轻量化实现方法

汽车概念阶段的设计直接影响最终实车的性能，因而各汽车制造商都非常注重汽车概念阶段的设计。在汽车概念设计阶段，需要考虑的性能指标包括燃油经济性、动力性和振动噪声特性等。其中，要求最为严格的为汽车燃油经济性。减轻汽车零部件的质量即实现汽车轻量化是改善汽车燃油经济性的最有效的方式之一。汽车变速器作为汽车动力总成的主要部件，在实现汽车轻量化的过程中起着重要作用。介绍了自动变速器的轻量化工作，并给出了一种用于轻量化设计自动变速器的结构拓扑优化方法。

在汽车概念设计阶段，对自动变速器的轻量化设计通常包含两个方面：一是轻量化材料的选择；二是自动变速器结构的轻量化优化设计。介绍了自动变速器结构的轻量化优化设计方法，通常采用结构拓扑优化方法，该方法可以对自动变速器的结构材料布局进行优化，且具有较高的灵活性。然而，在大多数商业化软件中，利用结构拓扑优化方法得到的结果往往含有“灰度区域”，从工程和制造的角度来看，“灰度区域”的取值是难以实现的。对此，给出了一种基于水平集的结构拓扑优化方法。该方法在进行结构拓扑优化前，首先建立描述结构边界运动特性的水平集。之后，在结构拓扑优化中引入水平集，限制结构拓扑优化在水平集范围内进行。在对结构进行拓扑优化的过程中，水平集中描述结构边界运动的函数也随之改变，最终。得到的拓扑优化结果将给出可行的最优结构配置。

为验证所采用的方法，将其应用在自动变速器停车棘爪的结构优化中，停车棘爪的模型由日本爱信精机株式会社提供。结构拓扑优化结果表明，对停车棘爪模型进行基于水平集的结构拓扑优化后，其质量减轻了8.8%，且优化后的最优结构配置结果明确可行。

Miho Kumagai et al.SAE 2016-01-1386.

编译：李臣