(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106407546 A(43)申请公布日 2017.02.15
(21)申请号 201610816077.5(22)申请日 2016.09.09
(71)申请人 上海理工大学
地址 200093 上海市杨浦区军工路516号(72)发明人 褚超美 谭辉 梅超 宗邦飞
黄永辉 黄晨 胡天帅 顾荣华 (74)专利代理机构 上海德昭知识产权代理有限
公司 31204
代理人 郁旦蓉(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图4页
(54)发明名称
一种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法
(57)摘要
本发明涉及一种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，包括如图所示的步骤。该方法借助于Hyperworks仿真分析软件建立目标变速器壳体有限元模型，通过对变速器壳体受载最大(易产生变形)的轴承孔进行仿真分析，获得原点(激励与响应为同一点)加速度、动刚度频率响应；针对未达到变速器壳体刚度目标的频率区间进行固有振型模态分析，得到壳体固有特征模态频率与模态振型；通过模态振型图，获得壳体结构局部变形特征，最终确定壳体振幅较大，局部变形严重的具体部位；为设计师准确制定抑制局部变形的结构优化设计方案提供参考。
CN 106407546 ACN 106407546 A
权 利 要 求 书
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1.一种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，用于准确确定所述变速器壳体振幅较大、动刚度薄弱且变形严重的具体结构部位，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，运用三维绘图软件，建立变速器壳体几何模型，将该几何模型导入有限元分析软件中，建立所述变速器壳体的有限元分析模型；
步骤二，变速器壳体的激励源的选取和激励载荷确定，根据所述变速器壳体的动力传递途径，选择该壳体中承受载荷和变形最大的部位作为该变速器壳体的激励源并施加激励力：在0～1000Hz的频率范围内，以1-5Hz为频率步长，分别在所述变速器壳体的施加激励力点的X、Y、Z方向施加幅值为1N的频变载荷激励力，设置的所述频变载荷激励力与激励类型A、相位θ以及时间延迟τ的数学关系模型为
}
{P(f)}＝{A}*B(f)ei{φ(f)+θ-2πfτ (1)在式(1)中，B(f)表示激励频率变化取值范围，φ(f)表示激励频率角度变化取值范围；步骤三，频率响应点的设置，以步骤二中的所述承受载荷和变形最大的部位的中心点为激励源点输入载荷，又以该点作为频率响应的采集点进行激励源原点加速度频率响应仿真，得到反映所述变速器壳体的原点加速度与频率响应关系曲线；
步骤四，通过所述有限元分析软件仿真，最终输出加载点的X、Y、Z向加速度响应值，然后根据上述仿真得到的加速度频率响应图，得到所述变速器壳体的所述变形最大的部位在X、Y、Z三个方向加速度响应的峰值频率点，判断所述变速器壳体的激励频率与固有频率的接近程度和该变速器壳体发生共振的几率；
步骤五，原点动刚度频率响应分析，建立加速度和动刚度频响关系模型
(2)式中，a表示加速度响应，F表示激励力，Kd表示动刚度，f表示加速度频率，通过式(2)加速度频率与动刚度关系模型，获得原点动刚度与频率响应关系的特性曲线，进一步根据该特性曲线寻找并界定未达到刚度设计目标的频率区间；
步骤六，针对未达到刚度设计目标的频率区间进行模态分析，利用所述有限元分析软件进行模态与动刚度的分析计算，获取设定频率段的模态特征并从模态振型图上获得所述承受载荷和变形最大的部位具体的变形特征，准确确定所述变速器壳体振幅较大、动刚度薄弱且变形严重的具体结构部位。
2.根据权利要求1所述的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，其特征在于：
其中，所述三维绘图软件为UG软件、Solidworks软件、Pro/e软件、CATIA软件中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，其特征在于：
其中，所述有限元分析软件为Hyperworks软件、ANSYS软件、ABAQUS软件中的任意一种。4.根据权利要求1所述的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，其特征在于：
其中，所述承受载荷和变形最大的部位为轴承孔或悬置。
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5.根据权利要求1所述的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，其特征在于：
其中，步骤二中所述频率步长优选为2HZ。
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说 明 书
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一种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的
方法
技术领域[0001]本发明涉及一种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，可直观通过壳体动刚度薄弱部位获得壳体局部变形状况，为直接针对性进行壳体结构刚度优化提供方便，属于机械与计算机交叉领域。背景技术[0002]变速器壳体作为汽车传动系统的支撑体，承受着来自发动机和汽车行驶过程所受的冲击力作用，极易因强度、刚度不足引起局部断裂失效，导致变速器功能失效。为了保证变速器壳体的工作可靠性，设计师们通常需要对变形严重的结构进行局部优化设计，以提高壳体受力局部的强度与刚度。为提高可靠性设计水平，需准确获取壳体振幅较大，变形严重的局部位置及变形程度，以便进行针对性结构强化设计。[0003]以往的设计依据多来自于可靠性试验结果或通过加速度频响仿真的方法间接获得。可靠性试验需要耗费大量的人力和物力，使产品开发成本上升，开发周期延长；加速度频响特征较易于获得，但是加速度频响特征与结构并不直接关联，只是一种间接分析结构振幅变化特性的方法，无法实现对结构优化设计起到直接指导作用。发明内容[0004]本发明为解决上述问题，考虑到由于刚度与结构特征直接相关，在工程实际中更容易通过结构设计直接对结构刚度进行控制。一旦获得动刚度频率响应，便可直接反应壳体结构与变形的关系，为设计师结构优化设计提供直接的指导。为此提出了一种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，可以实现对变速器壳体振幅较大、动刚度薄弱且变形严重的具体结构部位的准确定位。[0005]一种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，用于准确确定变速器壳体振幅较大、动刚度薄弱且变形严重的具体结构部位，其特征在于，包括以下步骤：[0006]步骤一，运用三维绘图软件，建立变速器壳体几何模型，将该几何模型导入有限元分析软件中，建立变速器壳体的有限元分析模型；[0007]步骤二，变速器壳体的激励源的选取和激励载荷确定，根据变速器壳体的动力传递途径，选择该壳体中承受载荷和变形最大的部位作为该变速器壳体的激励源并施加激励力：在0～1000Hz的频率范围内，以1-5Hz为频率步长，分别在变速器壳体的施加激励力点的X、Y、Z方向施加幅值为1N的频变载荷激励力，设置的频变载荷激励力与激励类型A、相位θ以及时间延迟τ的数学关系模型为
}
{P(f)}＝{A}*B(f)ei{φ(f)+θ-2πfτ (1)[0008]在式(1)中，B(f)表示激励频率变化取值范围，φ(f)表示激励频率角度变化取值范围；[0009]步骤三，频率响应点的设置，以步骤二中的承受载荷和变形最大的部位的中心点
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为激励源点输入载荷，又以该点作为频率响应的采集点进行激励源原点加速度频率响应仿真，得到反映变速器壳体的原点加速度与频率响应关系曲线；[0010]步骤四，通过有限元分析软件仿真，最终输出加载点的X、Y、Z向加速度响应值，然后根据上述仿真得到的加速度频率响应图，得到变速器壳体的变形最大的部位在X、Y、Z三个方向加速度响应的峰值频率点，判断变速器壳体的激励频率与固有频率的接近程度和该变速器壳体发生共振的几率；[0011]步骤五，原点动刚度频率响应分析，建立加速度和动刚度频响关系模型
(2)式中，a表示加速度响应，F表示激励力，Kd表示动刚度，f表示加速度频率，通过式(2)加速度频率与动刚度关系模型，获得原点动刚度与频率响应关系的特性曲线，进一步根据该特性曲线寻找并界定未达到刚度设计目标的频率区间；[0013]步骤六，针对未达到刚度设计目标的频率区间进行模态分析，利用有限元分析软件进行模态与动刚度的分析计算，获取设定频率段的模态特征并从模态振型图上获得承受载荷和变形最大的部位具体的变形特征，准确确定变速器壳体振幅较大、动刚度薄弱且变形严重的具体结构部位。[0014]本发明提供的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，三维绘图软件为UG软件、Solidworks软件、Pro/e软件、CATIA软件中的任意一种。[0015]本发明提供的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，有限元分析软件为Hyperworks软件、ANSYS软件、ABAQUS软件中的任意一种。[0016]本发明提供的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，承受载荷和变形最大的部位为轴承孔或悬置。[0017]本发明提供的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，步骤二中频率步长优选为2HZ。[0018]发明作用与效果[0019]本发明的目的在于提供种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，有别于目前常用的通过对加速度频响特征仿真分析来间接判断结构刚度危险点的做法。根据本发明的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法通过加速度和动刚度频响的关系，得到原点动刚度与频率响应关系的特性曲线；通过原点动刚度与频率关系曲线，寻找并界定未达到刚度设计目标(低于最低的对标刚度值)的频率区间；利用有限元软件进行模态与动刚度的分析计算，获取设定频率段的模态特征并从模态振型图上获得壳体轴承孔、悬置等受载较大部位结构的变形特征，准确确定壳体振幅较大、动刚度薄弱，变形严重的具体结构部位与程度。附图说明[0020]图1为本发明的用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法的工作流程示意图；
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图2为壳体振动激励来源及传递路径示意图；
图3为输入轴轴承孔原点加速度与频率响应关系曲线示意图；图4为输出轴轴承孔原点加速度与频率响应关系曲线示意图；图5为输入轴轴承孔原点动刚度与频率响应关系曲线示意图；图6为输出轴轴承孔原点动刚度与频率响应关系曲线示意图；以及图7为模态频率位移云图照片，a为左轴承孔照片，b为左轴承孔照片。上述图3-6中左边表示左轴承孔，右边表示右轴承孔。
具体实施方式
[0028]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法的原理、步骤、使用效果作具体阐述。[0029]实施例[0030]图1为本发明的用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法的工作流程示意图。[0031]本实施例以三维绘图UG软件、Hyperworks有限分析软件为例进行说明，其他的三维绘图软件如Solidworks软件、Pro/e软件、CATIA软件和其他的有限元分析软件如ANSYS软件、ABAQUS软件也是可行的。[0032]利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，具体包括如下步骤：[0033]1、运用三维绘图UG软件，建立某变速器壳体几何模型，导入Hyperworks有限分析软件中，建立壳体的有限元分析模型。螺栓孔、轴承孔及悬置属应力比较大部位，采用3mm的网格划分；远离关键孔的壳体表面应力相对较小，采用5mm的网格划分。[0034]2、变速器壳体的激励源的选取和激励载荷确定。[0035]图2为壳体振动激励来源及传递路径示意图。[0036]如图2所示，根据变速器壳体的动力传递途径，选择壳体中承受载荷和变形最大的轴承孔、悬置等为变速器壳体的激励源并施加激励力；在0～1000Hz的频率范围内，以2Hz为频率步长，分别在变速器壳体施加激励力点的X、Y、Z方向施加幅值为1N的简谐单位力，所设置的频变载荷激励力与激励类型、相位，时间的关系模型为：
}[0037]{P(f)}＝{A}*B(f)ei{φ(f)+θ-2πfτ (1)
[0038]在式(1)中，A表示激励载荷激励类型，B(f)表示激励频率取值范围(激励频率设置为0～1000Hz)，φ(f)表示激励频率角度变化取值范围，θ表示相位定义，τ表示时间延迟。[0039]3、频率响应点的设置。[0040]图3为输入轴轴承孔原点加速度与频率响应关系曲线示意图。[0041]图4为输出轴轴承孔原点加速度与频率响应关系曲线示意图。[0042]为准确获得变速器壳体的局部动态特性，采用以轴承孔中心点为激励源点输入载荷，又以同一点作为频率响应的采集点(在同一点施加载荷并输出加速度响应)的方法，进行激励源原点加速度频率响应仿真，得到反应壳体的原点加速度与频率响应关系曲线，如图3、4所示，分别表示输入和输出轴轴承孔原点加速度与频率响应关系曲线。[0043]4、原点加速度频率响应分析。
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与其他表征系统振动响应的特征参数相比，加速度更容易测量，所以首先通过
Hyperworks仿真，最终输出加载点的X、Y、Z向加速度响应值。根据加速度频率响应图，得到目标变速器壳体轴承孔处在X、Y、Z三个方向加速度响应的峰值频率点，判断壳体激励频率与固有频率的接近程度和壳体发生共振的几率。[0045]5、原点动刚度频率响应分析。[0046]图5为输入轴轴承孔原点动刚度与频率响应关系曲线示意图。[0047]图6为输出轴轴承孔原点动刚度与频率响应关系曲线示意图。[0048]由于刚度与结构特征相关，在工程实际中更容易通过结构设计进行控制。因此需设法通过原点加速度频率响应仿真结果获得原点动刚度频率响应。建立加速度和动刚度频响关系模型：
[0049]
(2)式中，a表示加速度响应，F表示激励力，Kd表示动刚度，f表示加速度频率。
[0051]通过式(2)加速度频率与动刚度关系模型，获得原点动刚度与频率响应关系的特性曲线；通过原点动刚度与频率关系曲线，寻找并界定未达到刚度设计目标的频率区间。如图5、6所示，右轴承孔在310Hz频率附近处的动刚度比较薄弱，低于最低标准的对标动刚度1.00E+006N/m。[0052]6、针对未达到刚度设计目标的频率区间进行模态分析。[0053]图7为模态频率位移云图照片，a为左轴承孔照片，b为左轴承孔照片。[0054]利用Hyperworks软件进行模态的分析计算，获取300～350Hz频率段内右轴承孔的一阶模态振型，并从模态振型图即图7上可见动刚度薄弱时，该轴承孔具体的变形特征。通过结构改进来抑制该处的变形，使其满足动刚度评价指标。[0055]变速器壳体其他关键位置可采用类似的原点动刚度频响特性评价方法来获得变速器壳体局部变形特征。[0056]上述实施例中，2节中的频率步长设定为2Hz是一个最优值，也可以根据情况在1-5Hz范围内选取其他值。[0057]实施例的作用和有益效果[0058]本发明的目的在于提供种利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法，有别于目前常用的通过对加速度频响特征仿真分析来间接判断结构刚度危险点的做法。根据本发明的利用原点动刚度特性分析变速器壳体局部变形特征的方法通过加速度和动刚度频响的关系，得到原点动刚度与频率响应关系的特性曲线；通过原点动刚度与频率关系曲线，寻找并界定未达到刚度设计目标(低于最低的对标刚度值)的频率区间；利用有限元软件进行模态与动刚度的分析计算，获取设定频率段的模态特征并从模态振型图上获得壳体轴承孔、悬置等受载较大部位结构的变形特征，准确确定壳体振幅较大、动刚度薄弱，变形严重的具体结构部位与程度。[0059]由于刚度与结构特征直接相关，在工程实际中更容易通过结构设计直接对结构刚度进行控制。一旦获得动刚度频率响应，便可直接反应壳体结构与变形的关系，为设计师结构优化设计提供直接的指导。因此本实施例提供的方法，可以方便设计师进行变速器壳体的强度设计。
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