1.前言
汽车变速箱作为汽车的传动系统的关键总成之一，其主要功能为改变发动机曲轴的转矩及转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障 碍等不同路况条件下，对驱动车轮牵引力及车不同要求的需求。变速箱的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等有直接的影 响。近年来随着汽车技术的发展，对汽车变速箱承载能力以及工作可靠性的要求越来越高，所以对变速箱主要零部件的强度、刚度的计算与校核显得尤为重要。另 外，如果只是依赖实验进行测试 变速箱的性能，那每次的测试成本将花费高昂的费用，并且对日益竞争的市场要求来说，其开发周期会变的很漫长，开发费用也将变的庞大，因此，采用有限元分 析，尤其是CAD/CAE一体化的CAE工具，将会大大的提高产品质量，缩短开发周期，还会让设计人员在开发过程中，创造产品的魅力品质，提高产品的竞争 力。
模态分析为各产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准。以模态分析为基础的结构 动态设计，是近年来振动工程界开展的最广泛的研究领域之一，因此，模态分析是动力学分析，例如噪声、瞬态力学响应分析、频率响应分析或随机振动分析的基 础，鉴于此，模态分析也就越来越显得格外重要。
本文我们将利用CATIA CAE进行变速箱的静强度分析和含有预应力与接触的模态分析。
2.模型描述
我们这里用该模型来阐述如何在CATIA里面进行相关分析，因此，模型中没有考虑齿轮和轴等组件。该模型有两个零部件组成，其两个接触面之间采用接触连接属性，另外，这里不关心螺栓的受力状况，也就没有含有螺栓的几何模型，因此5个螺栓孔均采用虚拟螺栓预紧力连接属性。
3. 有限元分析
CATIA CAE是达索公司在CATIA平台上同CAD同时开发出的有限元结构分析软件，其最大的特点就是与CAD模型的全面关联性，还可以利用CATIA的design table(设计表格)、发布（publication）、power copy（功能拷贝）等知识工程的东西来进行有限元模型的建模和分析，充分发挥了CAD与CAE的一体化的优势，可以让用户在设计过程中迅速的来评估自己设计的性能，也就是边设计边分析，让CAE回归本来地位，实现CAE真正的为设计服务，做到CAE参与整个设计过程。
在CATIA CAE中，分析流程为CAD模型的设计和装配，然后进入CAE分析界面，进行相关的连接设置、网格划分、边界条件加载，然后进行计算和后处理，当分析的结果不能满足要求，就可以双击进入设计界面，进行修改相关设计，然后再回到分析界面，直接在云图的地方更新即可。
3.1 网格划分
在CATIA CAE中，网格工具非常丰富，可以满足我们不同需求，我们这里利用高级网格工具（advanced meshing tools）进行网格划分。对于实体网格划分器来说，可以利用OCTREE mesher，该网格划分器非常稳健，并且划分出的网格质量也是非常高的，并且在大量的应用中得到的验证，并且可以实现实体的自动网格划分。我们在这里不采用该方法，我们利用掩埋法（Tetrahedron filler），是先生成实体表面的壳网格，然后通过封闭的壳网格向里生成实体网格。
可以利用高级壳网格划分器生成壳网格，如图所示，
通过上面的封闭的壳网格，生成实体网格如下：
3.2 连接属性的定义
在CATIA CAE中，提供了大量的连接关系定义，可以让大家不需要花费过多的时间在网格的边界协调上，这样可以让设计人员也能进行方便的处理装配体的FEM模型。在CATIA CAE中提供了接触连接（contact）、固结（fastened connection property）、螺栓紧固连接（bolt tightening connection property）、过盈配合（pressure fitting connection property）、刚性连接（rigid connection property）、柔性连接（smooth connection property）、焊接（包括点焊、缝焊和面焊）等等大量的连接属性。还有虚拟体，相当于MSC.NASTRAN里面的RBE2、RBE3等功能。
我们本案例由于只设计到两个部件的接触面的连接，还有就是虚拟螺栓的连接，因此，我们在接触面上施加接触连接属性，在虚拟螺栓上施加虚拟螺栓连接属性，并定义20000N的预紧力。
定义接触属性，选择几何装配时的接触约束作为supports即可
虚拟螺栓预紧力连接选择几何装配时的相合约束（coincidence），并输入预紧力为20000N
3.3 边界条件定义
1）位移约束
选择如图所示的面作为约束面即可
2） 载荷施加
在该案例中，我们施加轴承载荷，在CATIA CAE中有高级载荷功能，就是轴承载荷，不需要大家像在传统CAE软件中，通过非常复杂的单元组合来模拟轴承载荷，在CATIA CAE中，只要把相关的参数填入相关空格即可
3.4 计算和后处理
点击计算，完成后，就可以进行后处理，例如我们需要观看位移云图、Von Mises 等效应力云图、主应力云图、接触面的应力状况等。
4. 模态分析
我们这里分析的模态含有虚拟螺栓预紧力连接和接触，需要在CATIA CAE的ANL模块中进行，该模块是利用的abaqus技术，可以在分析中考虑几何非线性、材料非线性（金属塑性和超弹材料）和边界条件非线性的影响，还可以进行高级接触的设定。如果我们不想考虑接触和螺栓预紧力的影响，可以直接在线性分析模块中进行模态分析。
4.1 机械连接行为的定义
机械连接行为是用来描述接触的法向和切向行为的，切向选择罚函数法penalty，摩擦系数为0.2。法向选择刚性接触（hard contact），约束方法选择罚函数法（penalty standard）。
4.2 接触定义
在非线性分析模块里面，定义接触和线性模块里面是不同的。这里面涉及到主从面的选择、方向，接触方法等。相关设置如图所示。
4.3 虚拟螺栓连接
该连接和线性分析里面的定义没区别，直接选择相合约束作为support，输入预紧力的大小即可
4.4 计算和后处理
当所有的连接和边界条件定义完成后，就可以进行计算，计算完成后就可以导入结果文件。
5． 结论
通过CATIA CAE进行结构强度和振动性能分析，可以在设计过程中实现边设计边分析，让分析结果的数据充分的反映到设计上来，真正实现CAE为CAD服务。另外，由于 CATIA CAE是CAD/CAE一体化的平台，就不存在数据丢失、特征损坏、破面等现象，小的特征需要忽略的时候，只需要输入一个数值即可实现忽略。也就是说，分 析的模型和最终出图的模型为同一模型，不需要像传统CAE软件那样，需要做两套模型。还有就是ANL模块是利用的Abaqus技术，基础的非线性分析都可 以满足，尤其是本文涉及的模态分析。CATIA CAE可以进行线性静力学分析、模态分析、屈曲分析、动力学响应分析（瞬态响应分析和频率响应分析）、非线性结构分析、热分析和热-机耦合分析等，可以满 足我们日常的绝大多数分析要求。