基于拓撲優(yōu)化的發(fā)動機油底殼設(shè)計研究

李歡，胡昌良

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于拓撲優(yōu)化的發(fā)動機油底殼設(shè)計研究

李歡，胡昌良

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

以某發(fā)動機油底盤為研究對象，對其進行拓撲優(yōu)化，以期最大程度提升其一階約束模態(tài)頻率，同時滿足生產(chǎn)制造工藝的要求。拓撲優(yōu)化采用OptiStruct軟件，通過對油底盤3D模型劃分限元網(wǎng)格、選定優(yōu)化區(qū)域，并設(shè)定加強筋和優(yōu)化參數(shù)，經(jīng)優(yōu)化計算得到合理的加強筋布置結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的油底盤剛度得到大幅提升，模態(tài)頻率增大了約54%，取得了較好的優(yōu)化效果。

油底盤；拓撲優(yōu)化；模態(tài)

概述

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，安全性和耐久性已成為汽車部件最為基本的要求，而考慮到駕乘人員感受的舒適性越來越受到重視。NVH作為衡量舒適性的關(guān)鍵指標，在產(chǎn)品開發(fā)中的地位也愈發(fā)重要。發(fā)動機的油底盤主要用來盛放發(fā)動機潤滑機油，其一般為薄壁平板結(jié)構(gòu)，是發(fā)動機的主要噪聲源，對發(fā)動機的 NVH有較大的貢獻。目前油底盤的設(shè)計主要考慮系統(tǒng)的密封性，設(shè)計的隨意性比較大，常常帶來較為嚴重的NVH問題，影響發(fā)動機產(chǎn)品的品質(zhì)。油底盤的優(yōu)化主要通過合理布置加強筋來提升其剛度和頻率，從而減少其輻射噪聲。本文應(yīng)用拓撲優(yōu)化的方法對某發(fā)動機油底盤進行優(yōu)化，通過優(yōu)化加強筋的布置，提升蓋板的模態(tài)頻率，從而達到降低輻射噪聲的目的。

1 拓撲優(yōu)化方法簡介

拓撲優(yōu)化的基本原理是在一個給定的設(shè)計空間里尋求材料的合理分布方式，得到某一變量的極值。拓撲優(yōu)化的主要方法包括變密度法、漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和水平集方法等[1]。目前以變密度方法應(yīng)用最為廣泛，尤其在汽車領(lǐng)域得到了很大的推廣。本文中對發(fā)動機油底盤的優(yōu)化也采用變密度法。變密度法是根據(jù)均勻化方法得到的一種有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其不引入微結(jié)構(gòu)，而是賦予單元0-1的假想密度，通過不斷迭代的過程，保留密度大的單元，刪除密度小的單元，從而得到最終的優(yōu)化區(qū)域。

同其它類型優(yōu)化方法一樣，拓撲優(yōu)化是尋找參數(shù)最佳設(shè)定以滿足一定數(shù)目約束下的特定目標最大化（最小化或趨近設(shè)定值）。在數(shù)學(xué)上可以歸結(jié)為如下問題：

其中F(xi)是優(yōu)化目標函數(shù)，本文中是以油底殼頻率為最大目標。

g(xi)是約束方程組。

x是設(shè)計變量，密度法中即設(shè)計空間中單元的密度，取值范圍為(0,1]。

2 油底盤有限元模型

拓撲優(yōu)化的第一個步驟就是定義優(yōu)化區(qū)域（即可以進行優(yōu)化的部位），也就是前面提到的設(shè)計空間。在網(wǎng)格制作模型的過程中，需要把一個部件上能夠優(yōu)化的部位和不能優(yōu)化的部位要分開，對需要優(yōu)化的部分定義單獨的單元集合，指定為設(shè)計區(qū)域。設(shè)計區(qū)域的網(wǎng)格尺寸需要綜合考慮計算規(guī)模和優(yōu)化效果，不能過小也不能過大，一般要求處于特征尺寸的1/2~1/5即可。

油底盤設(shè)計首先根據(jù)發(fā)動機在整車上的布置和潤滑系統(tǒng)需求的潤滑油量定義好其外形尺寸，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按基本壁厚設(shè)計，不用設(shè)計加筋結(jié)構(gòu)，此部分是不進行優(yōu)化部位。內(nèi)部空間則需要避開與其它部件的干涉，據(jù)此定義好設(shè)計空間，如下圖所示，其中藍色為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，黃色為優(yōu)化空間。三維模型采用Pro/E完成。

圖1 油底盤優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)

對以上幾何模型劃分網(wǎng)格，藍色區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)定為3~4mm。根據(jù)鑄造要求，最小筋厚度為5mm，因此設(shè)定優(yōu)化區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2mm。整個模型總共劃分32000多個單元。

圖2 有限元網(wǎng)格

油底盤材料為鋁合金，其彈性模量為 69GPa，泊松比0.33，密度為2710kg/m3?？紤]到油底盤實際安裝狀態(tài)，將油底盤與發(fā)動機缸體安裝面進行約束。

3 油底盤拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化的流程如下圖所示，計算軟件采用 Altair Hyperworks。

圖3 拓撲優(yōu)化流程圖

優(yōu)化目標即優(yōu)化的方向，一般目標是某變量最大或最小，如質(zhì)量m最小、頻率f最大等[2]。油底盤拓撲優(yōu)化目標定義為一階模態(tài)頻率f1最大。

最后根據(jù)制造工藝還可以定義筋的樣式，包括筋寬w、筋高h、起筋角度θ和起筋方向等[3]。

經(jīng)過多輪次迭代計算得到優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。可以看出拓撲優(yōu)化得到是一個比較粗略的材料分布結(jié)果，優(yōu)化完成后還需要對優(yōu)化的節(jié)點進行曲面重構(gòu)，得到滿足工藝要求的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖5。

圖4 拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖5 最終三維模型

4 結(jié)果分析

對未加筋和拓撲優(yōu)化加筋方案進行模態(tài)分析，比較其一階模態(tài)頻率結(jié)果。

圖6 未加筋一階模態(tài)

圖7 拓撲優(yōu)化方案一階模態(tài)

優(yōu)化前油底盤的一階模態(tài)頻率值為971Hz，優(yōu)化后為自由筋為 1503Hz，較優(yōu)化前提升了 532Hz（54%），能夠大大減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，降低 NVH值，同時達到企業(yè)的內(nèi)部評價標準?？梢娡ㄟ^拓撲優(yōu)化合理布置筋的位置對提高蓋板模態(tài)頻率能起到了較好的效果。

5 結(jié)語

拓撲優(yōu)化方法是一種高效便捷的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，通過設(shè)定合理的優(yōu)化區(qū)域和工藝控制參數(shù)，就能夠快速得到能滿足制造需求的優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，避免了僅依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗而進行的盲目設(shè)計。文中對某發(fā)動機油底盤進行形貌優(yōu)化分析，得到了滿足工藝要求的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后油底盤一階頻率提升54%，取得了較為滿意的結(jié)果。此次分析旨在表明優(yōu)化技術(shù)是提升產(chǎn)品品質(zhì)的有力手段，在設(shè)計開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 姜立嫂.FSC 賽車車架結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析與優(yōu)化設(shè)計[D]．北京信息科技大學(xué),20 13.

[2] HyperWorks Desktop User Guides [P] ， version13.0.

[3] 季學(xué)榮,丁曉紅. 基于拓撲和形貌優(yōu)化的汽車發(fā)動機罩板設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究,2011（2）：35 – 38.

Research on the design of engine oil sump based on topology optimization

Li Huan, Hu Changliang
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

taking a certain engine oil chassis as the research object, and on the topology optimization, in order to ascend to the greatest extent one order constraint modal frequency, at the same time satisfy the requirement of manufacture craft.Topology optimization using OptiStruct software, through to the oil chassis 3 d model grid division limit, the selected optimization area, and set to strengthen and optimize the parameters, reasonable stiffener layout structure is calculated by optimization. The optimized oil chassis stiffness was greatly improved, and the modal frequency increased by about 54%,and the optimized results were achieved.

oil chassis; Topology optimization; The modal

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-25-03

U464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-25-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.009

李歡，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。