一種利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法與流程

本發明涉及一種利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，可直觀通過殼體動剛度薄弱部位獲得殼體局部變形狀況，為直接針對性進行殼體結構剛度優化提供方便，屬于機械與計算機交叉領域。

背景技術：

變速器殼體作為汽車傳動系統的支撐體，承受著來自發動機和汽車行駛過程所受的沖擊力作用，極易因強度、剛度不足引起局部斷裂失效，導致變速器功能失效。為了保證變速器殼體的工作可靠性，設計師們通常需要對變形嚴重的結構進行局部優化設計，以提高殼體受力局部的強度與剛度。為提高可靠性設計水平，需準確獲取殼體振幅較大，變形嚴重的局部位置及變形程度，以便進行針對性結構強化設計。

以往的設計依據多來自于可靠性試驗結果或通過加速度頻響仿真的方法間接獲得。可靠性試驗需要耗費大量的人力和物力，使產品開發成本上升，開發周期延長；加速度頻響特征較易于獲得，但是加速度頻響特征與結構并不直接關聯，只是一種間接分析結構振幅變化特性的方法，無法實現對結構優化設計起到直接指導作用。

技術實現要素：

本發明為解決上述問題，考慮到由于剛度與結構特征直接相關，在工程實際中更容易通過結構設計直接對結構剛度進行控制。一旦獲得動剛度頻率響應，便可直接反應殼體結構與變形的關系，為設計師結構優化設計提供直接的指導。為此提出了一種利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，可以實現對變速器殼體振幅較大、動剛度薄弱且變形嚴重的具體結構部位的準確定位。

一種利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，用于準確確定變速器殼體振幅較大、動剛度薄弱且變形嚴重的具體結構部位，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，運用三維繪圖軟件，建立變速器殼體幾何模型，將該幾何模型導入有限元分析軟件中，建立變速器殼體的有限元分析模型；

步驟二，變速器殼體的激勵源的選取和激勵載荷確定，根據變速器殼體的動力傳遞途徑，選擇該殼體中承受載荷和變形最大的部位作為該變速器殼體的激勵源并施加激勵力：在0～1000Hz的頻率范圍內，以1-5Hz為頻率步長，分別在變速器殼體的施加激勵力點的X、Y、Z方向施加幅值為1N的頻變載荷激勵力，設置的頻變載荷激勵力與激勵類型A、相位θ以及時間延遲τ的數學關系模型為

{P(f)}＝{A}*B(f)e^{i{φ(f)+θ-2πfτ}} (1)

在式(1)中，B(f)表示激勵頻率變化取值范圍，φ(f)表示激勵頻率角度變化取值范圍；

步驟三，頻率響應點的設置，以步驟二中的承受載荷和變形最大的部位的中心點為激勵源點輸入載荷，又以該點作為頻率響應的采集點進行激勵源原點加速度頻率響應仿真，得到反映變速器殼體的原點加速度與頻率響應關系曲線；

步驟四，通過有限元分析軟件仿真，最終輸出加載點的X、Y、Z向加速度響應值，然后根據上述仿真得到的加速度頻率響應圖，得到變速器殼體的變形最大的部位在X、Y、Z三個方向加速度響應的峰值頻率點，判斷變速器殼體的激勵頻率與固有頻率的接近程度和該變速器殼體發生共振的幾率；

步驟五，原點動剛度頻率響應分析，建立加速度和動剛度頻響關系模型

(2)式中，a表示加速度響應，F表示激勵力，K_d表示動剛度，f表示加速度頻率，通過式(2)加速度頻率與動剛度關系模型，獲得原點動剛度與頻率響應關系的特性曲線，進一步根據該特性曲線尋找并界定未達到剛度設計目標的頻率區間；

步驟六，針對未達到剛度設計目標的頻率區間進行模態分析，利用有限元分析軟件進行模態與動剛度的分析計算，獲取設定頻率段的模態特征并從模態振型圖上獲得承受載荷和變形最大的部位具體的變形特征，準確確定變速器殼體振幅較大、動剛度薄弱且變形嚴重的具體結構部位。

本發明提供的利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，三維繪圖軟件為UG軟件、Solidworks軟件、Pro/e軟件、CATIA軟件中的任意一種。

本發明提供的利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，有限元分析軟件為Hyperworks軟件、ANSYS軟件、ABAQUS軟件中的任意一種。

本發明提供的利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，承受載荷和變形最大的部位為軸承孔或懸置。

本發明提供的利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，步驟二中頻率步長優選為2HZ。

發明作用與效果

本發明的目的在于提供種利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，有別于目前常用的通過對加速度頻響特征仿真分析來間接判斷結構剛度危險點的做法。根據本發明的利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法通過加速度和動剛度頻響的關系，得到原點動剛度與頻率響應關系的特性曲線；通過原點動剛度與頻率關系曲線，尋找并界定未達到剛度設計目標(低于最低的對標剛度值)的頻率區間；利用有限元軟件進行模態與動剛度的分析計算，獲取設定頻率段的模態特征并從模態振型圖上獲得殼體軸承孔、懸置等受載較大部位結構的變形特征，準確確定殼體振幅較大、動剛度薄弱，變形嚴重的具體結構部位與程度。

附圖說明

圖1為本發明的用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法的工作流程示意圖；

圖2為殼體振動激勵來源及傳遞路徑示意圖；

圖3為輸入軸軸承孔原點加速度與頻率響應關系曲線示意圖；

圖4為輸出軸軸承孔原點加速度與頻率響應關系曲線示意圖；

圖5為輸入軸軸承孔原點動剛度與頻率響應關系曲線示意圖；

圖6為輸出軸軸承孔原點動剛度與頻率響應關系曲線示意圖；以及

圖7為模態頻率位移云圖照片，a為左軸承孔照片，b為左軸承孔照片。

上述圖3-6中左邊表示左軸承孔，右邊表示右軸承孔。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結合附圖對本發明的利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法的原理、步驟、使用效果作具體闡述。

實施例

圖1為本發明的用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法的工作流程示意圖。

本實施例以三維繪圖UG軟件、Hyperworks有限分析軟件為例進行說明，其他的三維繪圖軟件如Solidworks軟件、Pro/e軟件、CATIA軟件和其他的有限元分析軟件如ANSYS軟件、ABAQUS軟件也是可行的。

利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，具體包括如下步驟：

1、運用三維繪圖UG軟件，建立某變速器殼體幾何模型，導入Hyperworks有限分析軟件中，建立殼體的有限元分析模型。螺栓孔、軸承孔及懸置屬應力比較大部位，采用3mm的網格劃分；遠離關鍵孔的殼體表面應力相對較小，采用5mm的網格劃分。

2、變速器殼體的激勵源的選取和激勵載荷確定。

圖2為殼體振動激勵來源及傳遞路徑示意圖。

如圖2所示，根據變速器殼體的動力傳遞途徑，選擇殼體中承受載荷和變形最大的軸承孔、懸置等為變速器殼體的激勵源并施加激勵力；在0～1000Hz的頻率范圍內，以2Hz為頻率步長，分別在變速器殼體施加激勵力點的X、Y、Z方向施加幅值為1N的簡諧單位力，所設置的頻變載荷激勵力與激勵類型、相位，時間的關系模型為：

{P(f)}＝{A}*B(f)e^{i{φ(f)+θ-2πfτ}} (1)

在式(1)中，A表示激勵載荷激勵類型，B(f)表示激勵頻率取值范圍(激勵頻率設置為0～1000Hz)，φ(f)表示激勵頻率角度變化取值范圍，θ表示相位定義，τ表示時間延遲。

3、頻率響應點的設置。

圖3為輸入軸軸承孔原點加速度與頻率響應關系曲線示意圖。

圖4為輸出軸軸承孔原點加速度與頻率響應關系曲線示意圖。

為準確獲得變速器殼體的局部動態特性，采用以軸承孔中心點為激勵源點輸入載荷，又以同一點作為頻率響應的采集點(在同一點施加載荷并輸出加速度響應)的方法，進行激勵源原點加速度頻率響應仿真，得到反應殼體的原點加速度與頻率響應關系曲線，如圖3、4所示，分別表示輸入和輸出軸軸承孔原點加速度與頻率響應關系曲線。

4、原點加速度頻率響應分析。

與其他表征系統振動響應的特征參數相比，加速度更容易測量，所以首先通過Hyperworks仿真，最終輸出加載點的X、Y、Z向加速度響應值。根據加速度頻率響應圖，得到目標變速器殼體軸承孔處在X、Y、Z三個方向加速度響應的峰值頻率點，判斷殼體激勵頻率與固有頻率的接近程度和殼體發生共振的幾率。

5、原點動剛度頻率響應分析。

圖5為輸入軸軸承孔原點動剛度與頻率響應關系曲線示意圖。

圖6為輸出軸軸承孔原點動剛度與頻率響應關系曲線示意圖。

由于剛度與結構特征相關，在工程實際中更容易通過結構設計進行控制。因此需設法通過原點加速度頻率響應仿真結果獲得原點動剛度頻率響應。建立加速度和動剛度頻響關系模型：

(2)式中，a表示加速度響應，F表示激勵力，K_d表示動剛度，f表示加速度頻率。

通過式(2)加速度頻率與動剛度關系模型，獲得原點動剛度與頻率響應關系的特性曲線；通過原點動剛度與頻率關系曲線，尋找并界定未達到剛度設計目標的頻率區間。如圖5、6所示，右軸承孔在310Hz頻率附近處的動剛度比較薄弱，低于最低標準的對標動剛度1.00E+006N/m。

6、針對未達到剛度設計目標的頻率區間進行模態分析。

圖7為模態頻率位移云圖照片，a為左軸承孔照片，b為左軸承孔照片。

利用Hyperworks軟件進行模態的分析計算，獲取300～350Hz頻率段內右軸承孔的一階模態振型，并從模態振型圖即圖7上可見動剛度薄弱時，該軸承孔具體的變形特征。通過結構改進來抑制該處的變形，使其滿足動剛度評價指標。

變速器殼體其他關鍵位置可采用類似的原點動剛度頻響特性評價方法來獲得變速器殼體局部變形特征。

上述實施例中，2節中的頻率步長設定為2Hz是一個最優值，也可以根據情況在1-5Hz范圍內選取其他值。

實施例的作用和有益效果

本發明的目的在于提供種利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法，有別于目前常用的通過對加速度頻響特征仿真分析來間接判斷結構剛度危險點的做法。根據本發明的利用原點動剛度特性分析變速器殼體局部變形特征的方法通過加速度和動剛度頻響的關系，得到原點動剛度與頻率響應關系的特性曲線；通過原點動剛度與頻率關系曲線，尋找并界定未達到剛度設計目標(低于最低的對標剛度值)的頻率區間；利用有限元軟件進行模態與動剛度的分析計算，獲取設定頻率段的模態特征并從模態振型圖上獲得殼體軸承孔、懸置等受載較大部位結構的變形特征，準確確定殼體振幅較大、動剛度薄弱，變形嚴重的具體結構部位與程度。

由于剛度與結構特征直接相關，在工程實際中更容易通過結構設計直接對結構剛度進行控制。一旦獲得動剛度頻率響應，便可直接反應殼體結構與變形的關系，為設計師結構優化設計提供直接的指導。因此本實施例提供的方法，可以方便設計師進行變速器殼體的強度設計。