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标题: 基于拓扑优化的发动机支架设计 [打印本页]

作者: 3D新闻 时间: 2016-3-24 07:36
标题: 基于拓扑优化的发动机支架设计
1 概述
　　发动机支架连接悬置和发动机，有模态和强度要求。由于发动机悬置系统的模态频率在25Hz以下，与发动机(含支架)比较起来相差太大，因此通常将发动机当作刚体。并且为了让发动机支架不在发动机点火激励的影响下产生共振，以直列四缸发动机为例，大多数设计公司都要求支架的1阶模态频率高于发动机额定转速下的4谐次频率的20%~30%，即如果发动机额定转速为6000rpm，那么支架的1阶模态频率就要高于480Hz。支架强度要求在承受发动机自重一定倍数的载荷条件下不发生破坏。
　　在发动机支架设计中，因为比较苛刻的限制条件，容易造成支架或者“过软”，或者“过重”等问题。拓扑优化技术能够很好的解决这个问题，通过合理的材料分布，得到既轻又满足设计要求的结构，为CAD设计人员指明设计方向。以一款发动机右支架设计为例验证这项技术的优越性。
　　2 原始结构模态和强度分析
　　建立发动机有限元模型;设置材料卡片;设置分析工况;根据分析要求评价分析结果。
　　2.1 有限元模型
　　用HyperMesh前处理器建立有限元模型，包括发动机支架本体和与支架相连的铝结构支架。分析使用材料和单元信息如图1所示。
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图1 有限元模型信息

　　2.2 工况设置
　　发动机右支架模态和强度分析包括1个约束模态工况和4个集中载荷工况，所有工况均约束悬置连接端的3个螺栓孔，边界条件见图2。
　　
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图2 工况边界条件

　　2.3 分析结果和评价
　　运行OptiStruct求解器进行分析，直接调用HyperView查看结果。结果和评价见表1。5个工况的结果均达不到目标要求，必须改进结构。虽然进行了手工和经验改进，但是要么重量增大很多，要么改进效果不明显。所以通过拓扑优化方法改进非常必要。
　　表1 原始结构分析结果和评价
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　　3 拓扑优化设计
　　根据发动机舱布置情况确定设计空间，设置拓扑优化参数，如图3所示。
　　
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图3 拓扑优化参数和设计空间

　　运动OptiStruct求解器，经过59次迭代得到图4的材料分布;用OSSmooth功能生成优化后的几何结构，如图5所示，在几何的轮廓上建立有限元模型，经过调整后进行优化后的结构验证分析。
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图4 优化结果材料分布图5优化结果几何生成

　　比较拓扑优化前后的发动机支架分析结果，支架重量基本不变，优化后的结构满足各工况目标要求;1阶模态频率从332Hz提高到517Hz，各工况下的应力大幅降低，均在300Mpa以内，且分布更均匀。说明优化后的结构具有良好的力学性能，满足设计要求，可以为CAD设计部门提供可行的设计方向。
　　表2 优化前后分析结果比较
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　　4 总结
　　通过拓扑优化技术，改善发动机支架结构，改变了传统手工改进和经验改进的模式，为CAD设计人员指明可行的设计结构，减少了反复设计和反复验证的时间。

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