基于iSIGHT的船用柴油機油底殼的多學科設(shè)計優(yōu)化研究

鄭杰， 周宏根， 顧明， 濮軍洋

（1.江蘇科技大學 現(xiàn)代制造研究所，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

1 引 言

隨著世界船舶行業(yè)的發(fā)展，船舶公司生產(chǎn)越來越多的大噸位運輸船，整個行業(yè)對大功率船用柴油機的需求越來越大，大功率船用柴油機的性能越來越受到企業(yè)的重視。如何減輕柴油機重量，提高柴油機效率成為行業(yè)內(nèi)熱門的研究話題。

為了提高柴油機的整體性能，要求對柴油機的曲軸、連桿、活塞、氣缸、油底殼等零部件進行優(yōu)化設(shè)計，最終達到整體最優(yōu)的效果。以往船舶柴油機的曲柄連桿機構(gòu)的動力學分析都是建立在靜力學等效原則的基礎(chǔ)上，計算出各自產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力，與氣體爆發(fā)壓力合成后求解出對船舶的作用力以及曲軸系振動的激振力，這是一個十分繁瑣的過程。油底殼的模態(tài)分析以及氣缸的熱力學分析沒有緊密聯(lián)系在一起。即使各個主要零部件的設(shè)計效果達到最優(yōu)，也很難保證整體性能達到最優(yōu)。

2 多學科優(yōu)化理論

近年來，多學科設(shè)計優(yōu)化MDO（Multidisciplinary Design Optimization）在當前國際上飛行器、魚雷發(fā)射器、火炮設(shè)計研究中得到了廣泛的應(yīng)用，也運用到了眾多的船舶領(lǐng)域。與普通單學科優(yōu)化相比，MDO 的突出特點是由于學科的增加帶來分析模型規(guī)模的增加，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)分析時的計算量隨之增加，設(shè)計變量的增加，大大增加優(yōu)化的計算負擔。由于多數(shù)優(yōu)化算法的求解時間是隨設(shè)計變量個數(shù)而呈非線性增加，從而使MDO 的計算量通常要比所涉及各單學科各自優(yōu)化計算量的代數(shù)和大得多。由于設(shè)計變量和約束條件的數(shù)目很大，如果仍按照單學科優(yōu)化的方法，難以在現(xiàn)有計算條件和時間要求內(nèi)取得滿意的解。因此，MDO 往往要采用一些特殊的技術(shù)，這些技術(shù)構(gòu)成了MDO 的主要內(nèi)容［2］。

多學科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的基本指導(dǎo)思想是利用合適的優(yōu)化策略組織和管理優(yōu)化設(shè)計過程，通過分解、協(xié)調(diào)等手段將復(fù)雜系統(tǒng)分解為與現(xiàn)有工程設(shè)計組織形式相一致的若干子系統(tǒng)，從而可以利用工業(yè)界現(xiàn)有的各學科分析設(shè)計工具，在分布式計算機網(wǎng)絡(luò)上集成各學科或子系統(tǒng)已有的豐富知識與經(jīng)驗，對復(fù)雜系統(tǒng)進行綜合設(shè)計，以達到縮短設(shè)計周期、降低開發(fā)成本和提高產(chǎn)品競爭力的目的［1］。

本課題以R175A 船用柴油機為模型，對船用柴油機的油底殼建立了三維模型。油底殼三維模型建立的方法主要是運用參數(shù)化建模，以便于后期優(yōu)化過程中對油底殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改時，一個尺寸的改變不會使其他固定尺寸改變。將建好的油底殼三維模型另存為x_t 格式并導(dǎo)入到ANSYS 中對其進行模態(tài)分析、強度分析、質(zhì)量計算。設(shè)定優(yōu)化目標，找出設(shè)計變量、約束條件，建立數(shù)學模型。運用iSIGHT 集成ANSYS、SolidWorks 對各個零部件進行最優(yōu)解計算，從而得到優(yōu)化結(jié)果。

3 研究對象的參數(shù)化建模

圖1 油底殼

船舶柴油機主要由曲軸、連桿、活塞、氣缸、機體、油底殼等部分組成。本研究省略了曲軸自由端的傳動機構(gòu)及輸出端的減速器等，并對模型進行了合理簡化。以R175A 柴油機為例，運用SolidWorks 完成油底殼（圖1）的三維建模［5］。

4 油底殼有限元分析

以油底殼為例進行有限元分析以及iSIGHT 的集成優(yōu)化。將簡化后的油底殼三維模型導(dǎo)入到ANSYS 中。

4.1 油底殼結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析

在兩根定弦上表面分別施加Fk=12735N 的正壓力，在油底殼內(nèi)表面施加隨高度變化的油壓力Fy=0-14668N，在油底殼底面施加油壓力Fy=20740N，分析后的應(yīng)力分布如圖2 和圖3。從圖2 可以看出在油底殼底部銜接區(qū)域的應(yīng)力最大，是整個油底殼最容易損壞的地方。

4.2 油底殼模態(tài)分析

油底殼通過100 顆螺栓連接使油底殼上表面與曲軸箱緊固。因此，對油底殼上表面全約束，采用Block Lanczos法提取結(jié)構(gòu)的前20 階約束模態(tài)。提取的純殼體的模態(tài)特征如表2 所示。因為殼的結(jié)構(gòu)比較緊湊，機油黏度較大，并且在柴油機正常工況下晃動幅度較小，將流體對固體的作用以固體附加質(zhì)量形式出現(xiàn)，可使流固耦合問題轉(zhuǎn)化為固體動力學問題，從而大大簡化流固耦合系統(tǒng)的分析［7］。

由表1 中前20 階模態(tài)的固有頻率可以看出：添加約束后的油底殼的固有頻率比原來沒有約束的油底殼的固有頻率要高；添加加強筋后的油底殼的固有頻率比沒有添加加強筋的油底殼的固有頻率要高。所以添加加強筋和約束后的油底殼在降噪和避免共振等方面性能得到了提升［6］。

圖2 沿x 方向應(yīng)力

圖3 沿y 方向應(yīng)力

表1 油底殼前20 階模態(tài)

4.3 油底殼的質(zhì)量分析

油底殼在添加加強筋后的固有頻率有所增加，從而提高了油底殼在降噪和共振等方面的性能，但是其體積也因為加強筋的添加而變大，整體質(zhì)量也就變大了。柴油機的質(zhì)量變大會增加它的生產(chǎn)制造成本，而現(xiàn)代設(shè)計理論要求我們在設(shè)計產(chǎn)品時，要往產(chǎn)品質(zhì)量輕、性能高的方向發(fā)展，所以接下來可以對已經(jīng)添加加強筋的油底殼進行質(zhì)量優(yōu)化。在其固有頻率大于原固有頻率的基礎(chǔ)上減小油底殼的質(zhì)量。

油底殼的質(zhì)量計算公式：M=ρ·V，式中，ρ=7800kg/m3，體積V 可由ANSYS 前處理中Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Calc Geom Items＞Of Volumes 求得［4］。計算得到原油底殼的質(zhì)量M=0.33321×7800kg/m3=2603.8kg。

5 油底殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

5.1 優(yōu)化數(shù)學模型

因為油底殼的基本設(shè)計尺寸已經(jīng)確定，而加強筋的尺寸還未確定，所以可以將加強筋的尺寸進行優(yōu)化，使得油底殼應(yīng)力分布均勻，大小在安全強度內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，將油底殼的儲油量在原有基礎(chǔ)上變大，優(yōu)化后固有頻率大于原有固有頻率，優(yōu)化后油底殼質(zhì)量小于原來質(zhì)量，優(yōu)化后油底殼最大應(yīng)力最小。設(shè)計變量、約束條件、優(yōu)化目標的選取及表示見表2。

5.2 多學科設(shè)計優(yōu)化框架

多學科設(shè)計優(yōu)化框架是指能實現(xiàn)多學科設(shè)計優(yōu)化方法，包含硬件和軟件體系的計算環(huán)境，在這個計算環(huán)境中能夠集成和運行各個學科的計算，實現(xiàn)各學科之間的通訊。MDO 計算框架可分為三個層次：第一層次是通用MDO計算框架，如ModelCenter，iSIGHT，VisualDOC，DAKOTA等；第二層次是針對某一特定MDO 方法的計算框架，如基于并行子空間優(yōu)化的CSD 框架，基于協(xié)同優(yōu)化的Caffe框架；第三層次是基于某一MDO 方法，針對某類特定優(yōu)化問題的計算框架［3］。

表2 設(shè)計變量約束條件優(yōu)化目標

圖4 多學科設(shè)計優(yōu)化框架

此次油底殼的多學科設(shè)計優(yōu)化使用的是iSIGHT 軟件，對油底殼進行優(yōu)化框架的建立。首先運用iSIGHT集成SolidWorks 對油底殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行修改；再將新模型導(dǎo)入到ANSYS 中進行模態(tài)分析、靜應(yīng)力分析、質(zhì)量計算，而且同時調(diào)用計算器功能，將新的油底殼結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入油底殼儲油體積公式中計算出油底殼的儲油量；最后再改變油底殼結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次進行計算，進行多次迭代，找出最優(yōu)解。多學科設(shè)計優(yōu)化框架如圖4。

5.3 多學科優(yōu)化結(jié)果分析

利用多學科優(yōu)化軟件iSIGHT 集成有限元分析軟件ANSYS 來對油底殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先利用iSIGHT 對油底殼的加強筋尺寸以及油底殼尺寸進行不斷更改，計算得出油底殼一系列的20 階固有頻率，再將不同尺寸的油底殼模型運用ANSYS 進行應(yīng)力分析、質(zhì)量計算、儲油量計算校核其結(jié)構(gòu)是否滿足應(yīng)力強度條件、質(zhì)量是否小于原來質(zhì)量、儲油量是否大于原來儲油量，最終計算出滿足條件的結(jié)構(gòu)尺寸。

本優(yōu)化問題中建立了兩個文本文件input1.bdf 和output1.dat 分別用于保存設(shè)計變量、輸出約束值和目標變量。

優(yōu)化前后參數(shù)對比如表3。從表中可以看出：對油底殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化后，油底殼厚度減少5mm，底面圓角半徑減少13.16%，加強筋寬增加2.38%，加強筋厚增加24.5%。這些尺寸的改變導(dǎo)致油底殼的性能得到了顯著提升：油底殼總體質(zhì)量減輕16.21%，一階固有頻率增加4.24%，最大應(yīng)力減少4.86%，儲油量增加0.27%。

表3 油底優(yōu)化前后參數(shù)

6 結(jié) 論

通過使用多學科優(yōu)化軟件iSIGHT 與通用有限元分析軟件ANSYS 的集成，對R175A 型船用柴油機的油底殼進行優(yōu)化設(shè)計，主要對其加強筋尺寸及油底殼尺寸進行優(yōu)化，在整體質(zhì)量小于原油底殼質(zhì)量、油底殼儲油量大于原來儲油量以及最大應(yīng)力最小要求的條件下實現(xiàn)了油底殼固有頻率最大的目標。優(yōu)化后的油底殼的固有頻率增加了4.24%，對柴油機的減噪以及避免共振有著重大意義；最大應(yīng)力減少4.24%；油底殼儲油量增加了0.27%；油底殼的總體質(zhì)量減少了16.21%，節(jié)約了油底殼的材料，在大批量生產(chǎn)中可以節(jié)約大量的生產(chǎn)成本具有巨大的經(jīng)濟價值。

［1］ 任利，邵圓圓，韓虎.基于iSIGHT 的多學科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.起重運輸機械，2008（5）：45-48.

［2］ 鐘毅芳，陳柏鴻，周王宏.多學科綜合優(yōu)化設(shè)計原理與方法［M］.武漢：華中科技大學出版社，2006.

［3］ 余雄慶，姚衛(wèi)星.關(guān)于多學科設(shè)計優(yōu)化計算框架的探討［J］.機械科學與技術(shù)，2004（3）：286-289.

［4］ 張洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS 應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［5］ 詹迪維.SolidWordks 高級應(yīng)用教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［6］ 張朝暉.ANSYS12.0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［7］ 郭昂，于洪亮，宋玉超.油液對油底殼模態(tài)的影響分析［J］.大連海事大學（自然科學版），2011（1）：118-120.