汽车变速箱箱体模态分析，HyperMesh实战

作者：马工CAE

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摘要:借助于HyperWorks软件，可以帮助工程设计人员对机械构件进行模态分析，从而对设计进行前期工程分析与改进。本文以某型汽车变速箱箱体为例，介绍了HyperWorks软件的相关功能以及应用方法。通过变速箱结构的模态分析，表明了该软件对于模态分析的准确与方便，有利于研究箱体部件的动态特性和设计改进。

关键词:HyperWorks 变速箱模态分析 有限元

Abstract: With the help of HyperWorks, engineers can easily make modal analysis about mechanical components, and make related engineering judgments and improvement advice. This paper takes a car gearbox as study object and introduces related functions and applications about HyperMesh, which facilitates dynamic characteristics analysis and design improvements.

Key words: HyperWorks，gearbox，modal analysis，FEM

1前言

车辆在各种路面上行驶时，受到多种振动源的作用和冲击，工作条件恶劣。然而在变速箱箱体结构设计过程中，设计师首先考虑的是结构静强度和刚度；因此会在设计阶段过程中造成箱体局部结构的不合理，发生共振、噪声现象，容易产生疲劳损伤。

随着汽车制造商对设计要求的日益提高，模态分析越来越受到重视；模态参数是系统动态分析和优化设计的重要参数，以往的模态特性往往采用实验方法，不仅费时费力，而且组织实施困难，不利于在产品的设计和开发初期采用。随着计算机技术的发展，有限元越来越成为汽车结构设计人员的有力手段，它允许分析人员在产品设计初期就参与到产品开发中，评价所设计结构的强度，刚度，动态特性等，为产品设计人员提供依据，从而缩短开发进程，降低开发成本。本文利用OptiStruct分析了某型汽车变速箱箱体的前10阶固有频率及振型，得到了重要的模态参数，为结构的改进设计提供理论依据。

2箱体有限元建模

箱体有限元建模变速箱箱体主要由上壳体、下壳体、后壳体组成。运用三维实体建模软件对变速箱箱体的三部件分别建模，建模过程中根据分析的需要，确定建模的重点部位，在保证不影响模型分析精度的前提下，对原始的三维实体模型进行必要的结构简化。在建立有限元模型的过程中，有限元网格的划分尤为重要，其划分的质量直接关系到计算的精度和速度。运用HyperMesh网格划分，由于箱体是按各组件分别建模，因此网格的划分也是在各组件中分别进行。本文采用一阶四面体单元进行网格划分，单元的尺寸为3mm。划分网格后有限元模型如图1所示。

图1变速箱的有限元模型

实际的变速箱上、下箱体和后壳体是通过螺栓连接的。采用刚性连接(REB2)模拟螺栓如图2所示。如果变速箱与车体也是通过螺栓固定的，边界条件应设定位移在X,Y,Z方向为0。但通常需要做自由模态分析，此时不施加边界条件。

图2刚性连接(REB2)模拟螺栓

变速箱箱体的材料为铝合金，模型为均匀各向同性材料，其参数为：弹性模量E=7.17E7pa；泊松比µ=0.33；密度ρ=2.74g/cm3。

模态算法选择方面，对于中大模型,Lanczos方法是推荐使用的方法。其优点是除了它的可行性及高效性,Lanczos方法支持稀疏矩阵方法,可提高速度,减少对磁盘空间的要求。

3有限元模态计算结果分析

有限元模态计算结果分析使用OptiStruct对变速箱体的有限元模型的求解，一般不必求出振动系统所有的固有频率和振型，又由于低阶模态对振动系统影响较大，越是低阶影响越大，故通常取前5～10阶即可。本文在分析中求解了前20阶模态，其中固有频率值如表1示。

表1 变速箱的固有频率

该变速箱模态基本上分为上下箱体的前侧扭曲，后盖体弯曲和下箱体的侧围局部振动。从一阶模态547HZ可知，不满足600HZ的设计要求，需要对电控盖板进行增设加强筋，从而提高其固有频率，振型图如图3，4，5所示：

图3 一阶模态，箱体电控盖板处弯曲振型图

图4 五阶模态，下箱体处弯曲振型图

图5 第13阶模态，中箱体弯曲振型图

4结论

通过HyperMesh建立了变速箱箱体的有限元模型，用OptiStruct进行了自由模态分析，得到固有频率与固有振型，不仅可以反映结构的动刚度特性，而且还是分析结构动力响应和其他动力特性问题的基础，可以帮助产品设计师在后续设计中避开这些频率或最大限度地减小对这些频率上的激励，从而消除过度振动和噪声，同时也为结构的改进设计提供了理论依据。

通过查阅资料，一般要求一阶自由模态频率大于600HZ，该变速箱的低阶频率避开了激振频率段，因此不易产生共振。为了减少箱体侧围局部振动，可以通过在箱体内外增设加强筋来提高变速箱机体刚度，从而提高其固有频率。例如，根据动态特性的要求，在箱体内的隔板轴承处增设加强筋；在箱体的两侧面添加加强筋也是一种经济的降噪方法。

5 参考文献

[1] HyperMesh在汽车变速箱箱体模态分析中的应用

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