發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體加強(qiáng)板輕量化設(shè)計(jì)

趙文彬，齊偉，胡琦山，云峰，王有治

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院,山東 濰坊 261061

0 引言

SolidThingking是一款專為設(shè)計(jì)工程師打造的計(jì)算機(jī)輔助軟件，適用于產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)的構(gòu)建以及方案的可視化處理。Inspire是其中的子模塊，應(yīng)用Altair OptiStruct求解器，利用工程上的“拓?fù)鋬?yōu)化”技術(shù)，最終獲得材料最省的最佳受力結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行概念階段的輕量化設(shè)計(jì)。Inspire界面簡(jiǎn)單，且無需進(jìn)行網(wǎng)格前處理工作，易學(xué)易用，非常適合設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行快速的方案驗(yàn)證，縮短設(shè)計(jì)仿真周期[1-3]。本文中采用Inspire軟件，在滿足可靠性的前提下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體加強(qiáng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，多輪迭代后得到最優(yōu)方案。

1 機(jī)體加強(qiáng)板

機(jī)體內(nèi)部承受燃燒載荷及運(yùn)動(dòng)件的沖擊載荷，外部則承擔(dān)著大部分配附件的聯(lián)接，作為發(fā)動(dòng)機(jī)骨架，需保證足夠的剛度及強(qiáng)度，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性。為加強(qiáng)機(jī)體剛度，除強(qiáng)化機(jī)體本身結(jié)構(gòu)外，可采用機(jī)體加強(qiáng)板對(duì)機(jī)體裙部剛度進(jìn)行強(qiáng)化。機(jī)體加強(qiáng)板安裝固定在龍門式機(jī)體的下平面，連接機(jī)體左右裙部，增加機(jī)體裙部剛性，降低機(jī)體振動(dòng)噪聲，如圖1所示。為保證剛度強(qiáng)化效果，多數(shù)機(jī)體加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、板壁很厚，雖然有利于提升整體剛度，但是過度強(qiáng)化會(huì)大幅增加整機(jī)質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)性差。輕量化是實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能減排的重要途徑，研究表明，整車質(zhì)量每降低10%，整車油耗可降低6%～8%[4-6]，現(xiàn)代柴油機(jī)不僅要保證可靠性，也要重視輕量化。為有效實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體加強(qiáng)板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

圖1 機(jī)體加強(qiáng)板安裝示意

2 模態(tài)分析與加強(qiáng)板選型

以某四缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)為例，為減少機(jī)體振動(dòng)帶來的可靠性降低及噪聲問題，需要增強(qiáng)機(jī)體剛度，同時(shí)要求進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)機(jī)體加強(qiáng)板的缸數(shù)、位置設(shè)計(jì)選型方案，綜合評(píng)估剛度及質(zhì)量，獲得最佳的加強(qiáng)板設(shè)計(jì)方案。

2.1 機(jī)體加強(qiáng)板三維模型及選型方案

四缸機(jī)機(jī)體概念設(shè)計(jì)三維模型及加強(qiáng)板簡(jiǎn)化模型如圖2所示。概念設(shè)計(jì)階段需要確認(rèn)機(jī)體加強(qiáng)板的初步設(shè)計(jì)方案，為快速驗(yàn)證，采用如圖2 b)所示的簡(jiǎn)化模型用于初始選型。

a)機(jī)體 b)加強(qiáng)板簡(jiǎn)化模型

以加強(qiáng)板所覆蓋的缸數(shù)為單一要素設(shè)計(jì)加強(qiáng)板方案，6種機(jī)體加強(qiáng)板方案如表1所示。對(duì)機(jī)體與不同位置的加強(qiáng)板進(jìn)行模態(tài)分析，通過數(shù)據(jù)對(duì)比選擇最優(yōu)方案。

表1 機(jī)體加強(qiáng)板方案

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置及結(jié)果

機(jī)體與機(jī)體加強(qiáng)板材料均為灰鐵，彈性模量為117 GPa、泊松比為0.26、密度為7200 kg/m3。

方案1(整體四缸)仿真模型如圖3所示。機(jī)體加強(qiáng)板采用四缸簡(jiǎn)化模型，利用Inspire軟件中的螺栓連接功能，將機(jī)體加強(qiáng)板與機(jī)體裝配。Inspire中的計(jì)算參數(shù)設(shè)置如下：仿真模型單元尺寸為6 mm；模態(tài)分析數(shù)量為6，即不施加外界載荷的情況，計(jì)算前6階自由模態(tài)頻率；接觸設(shè)置為滑動(dòng)接觸。

圖3 方案1(整體四缸)仿真模型 圖4 方案1第一階模態(tài)變形云圖

方案1的第一階模態(tài)變形云圖如圖4所示。

由圖4可知，方案1第一階變形呈現(xiàn)沿曲軸方向的一階彎曲形態(tài)，第一階模態(tài)頻率為859 Hz。

2.3 加強(qiáng)板選型結(jié)果

采用同樣的仿真設(shè)置，對(duì)其他5種加強(qiáng)板方案及原方案(即單獨(dú)機(jī)體，定義為方案7)進(jìn)行模態(tài)分析，各方案的仿真模型如圖5所示。不同方案的加強(qiáng)板在方案1的基礎(chǔ)上減少缸數(shù)，且安裝位置也有所不同，對(duì)不同方案進(jìn)行模態(tài)分析以評(píng)估不同缸數(shù)、不同位置下的最優(yōu)方案。

a)方案2 b)方案3 c)方案4 d)方案5 e)方案6 f)方案7

各加強(qiáng)板方案和單獨(dú)機(jī)體的第一階模態(tài)變形云圖如圖6所示。由圖6可知，各方案的第一階變形都是沿曲軸方向的一階彎曲變形，但是由于加強(qiáng)板覆蓋缸數(shù)以及位置不同，變形形態(tài)、一階模態(tài)頻率、位移均不同。

圖6 方案2～7的第一階模態(tài)云圖

計(jì)算各方案一階模態(tài)頻率并與方案7進(jìn)行對(duì)比，得出各方案在模態(tài)頻率上的提升率，如表2所示。

表2 機(jī)體加強(qiáng)板方案的一階模態(tài)頻率及提升率

由表2中可知，采用方案1，即四缸整體加強(qiáng)板的模態(tài)頻率強(qiáng)化效果最好，第一階模態(tài)頻率提升66%；方案2、3均采用3個(gè)缸的加強(qiáng)板，由于機(jī)體本身前后端結(jié)構(gòu)剛度略有差異，模態(tài)頻率提升效果不同，分別為49%、51%；2個(gè)缸的機(jī)體加強(qiáng)板方案中，方案4、6的模態(tài)頻率提升效果最差，僅為20%，方案5的模態(tài)頻率提升率為40%，遠(yuǎn)高于方案4、6。

方案1、2、3、5的模態(tài)頻率均大于700 Hz，相對(duì)方案7，模態(tài)頻率提升率均超過40%，其中方案5是唯一的2缸加強(qiáng)板方案，質(zhì)量最小，綜合考慮模態(tài)頻率與質(zhì)量，確定方案5為最終選型方案。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)約束、載荷及優(yōu)化目標(biāo)尋求結(jié)構(gòu)、材料最佳分配的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴于經(jīng)驗(yàn)的局限性，在概念設(shè)計(jì)階段通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)自動(dòng)尋找最佳的結(jié)構(gòu)布局，并可轉(zhuǎn)化為三維模型。拓?fù)鋬?yōu)化得到的零部件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更輕便，可大幅降低原材料成本；零件剛度更大，避開共振，提高可靠性，延長(zhǎng)壽命；傳力路徑更加清晰，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有針對(duì)性；更加符合人機(jī)工程學(xué)，美學(xué)意義更加凸顯[7-11]。

3.1 傳統(tǒng)三維模型

在對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行改進(jìn)或全新設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師易受現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的束縛，難以進(jìn)行創(chuàng)新。根據(jù)機(jī)體加強(qiáng)板選型方案，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，第2、3缸加強(qiáng)板設(shè)計(jì)(記為方案8)如圖7所示。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)體加強(qiáng)板模型，采用了大量的加強(qiáng)筋以及彎曲造型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量較大且降低鑄造模具使用壽命。

圖7 按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加強(qiáng)板

3.2 基于Inspire的拓?fù)鋬?yōu)化

為獲取最佳設(shè)計(jì)方案，平衡可靠性與輕量化，采用Inspire軟件對(duì)加強(qiáng)板拓?fù)鋬?yōu)化，提高設(shè)計(jì)效率和一次設(shè)計(jì)成功率。拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)體加強(qiáng)板簡(jiǎn)化模型、Inspire中建立的仿真模型如圖8所示。

a)簡(jiǎn)化加強(qiáng)板模型 b)仿真模型

因?yàn)檠b配工況下需對(duì)連桿包絡(luò)進(jìn)行避讓，因此簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)為彎曲結(jié)構(gòu)。Inspire仿真模型中，以機(jī)體加強(qiáng)板為設(shè)計(jì)空間，優(yōu)化目標(biāo)為質(zhì)量最小化；為保證剛度提升效果，以模態(tài)頻率提升50%作為拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)值，即模態(tài)頻率目標(biāo)設(shè)置為770 Hz；厚度約束設(shè)置為10 mm。

方案5的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖9所示，其主要傳遞路徑為螺栓連線，且保留了中間部位的材料，與之前經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果，可獲得更加精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案，避免經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來的誤區(qū)。

圖9 方案5拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

4 三維重建與模態(tài)分析

4.1 三維重建

對(duì)方案5的拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行三維重建，其2種不同三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖10所示。圖10a)為初始模型，主要加強(qiáng)螺栓之間連線結(jié)構(gòu)以及中部結(jié)構(gòu)。圖10b)為在圖10a)的基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)工藝性、加工定位以及流轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)囊?，進(jìn)行結(jié)構(gòu)升級(jí)后的三維模型。

a)初始模型 b)結(jié)構(gòu)升級(jí)后

為確保后續(xù)批量化生產(chǎn)，確定圖10b)所示方案為最終方案，記為方案9。

4.2 模態(tài)分析

采用Inspire軟件和同樣的仿真設(shè)置，對(duì)采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案8及拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)升級(jí)后的方案9進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖11、12所示。

a)仿真模型 b)第一階模態(tài)變形云圖

a)仿真模型 b)第一階模態(tài)變形云圖

方案8、9的第一模態(tài)頻率、質(zhì)量對(duì)比如表3所示。由表3可知：1)2種設(shè)計(jì)思路的加強(qiáng)板與機(jī)體配合后，其模態(tài)頻率相對(duì)于單獨(dú)機(jī)體都有大幅提高，達(dá)到單獨(dú)機(jī)體的1.5倍，機(jī)體剛度也大幅提高；2)方案8、9的一階模態(tài)頻率僅相差1%，表明無目的性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)于剛度提升影響較小，而保證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)路徑才能有效提升結(jié)構(gòu)剛度；3)相對(duì)于方案8，方案9質(zhì)量減輕約35%，輕量化效果明顯。

表3 方案8、9第一階模態(tài)、質(zhì)量對(duì)比

5 結(jié)論

采用SolidThinking Inspire軟件，在滿足功能的前提下對(duì)機(jī)體加強(qiáng)板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，通過多輪迭代獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。1)為加強(qiáng)整機(jī)剛度，按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)體加強(qiáng)板通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝繁瑣，且很難均衡剛度與質(zhì)量的關(guān)系。2)采用Inspire軟件，對(duì)不同機(jī)體加強(qiáng)板方案進(jìn)行選型，對(duì)比分析不同缸數(shù)、不同位置的機(jī)體加強(qiáng)板的第一階模態(tài)頻率，綜合評(píng)估質(zhì)量與剛度，確認(rèn)采用第2、3缸機(jī)體加強(qiáng)板。3)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，同時(shí)考慮工藝性與量產(chǎn)要求，確定了機(jī)體加強(qiáng)板的最終方案，其模態(tài)頻率達(dá)到單獨(dú)機(jī)體的1.5倍，與傳統(tǒng)模型的模態(tài)頻率相當(dāng)，且質(zhì)量比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型輕35%，剛度與可靠性達(dá)到最優(yōu)效果。