基于HyperWorks的柴油机油底壳拓扑优化设计
基于HyperWorks 的柴油机油底壳拓扑优化设计
张光炯，张保成
（中北大学机械工程与自动化学院，山西太原030051）
摘要油底壳是柴油机的主要结构噪声辐射部件，也是最具结构减重潜力的关键部件之一。
针对某型大功率柴油机，运用特征化实体建模技术，利用HyperWorks-Optistruct 软件平台，开展了基于拓扑优化的该柴油机油底壳模态分析和结构改进设计。为有效提高其结构刚度，建立了以结构质量最轻为优化目标、油底壳固有频率提高20%为约束函数的拓扑优化设计模型。优化后的油底壳重量有了明显降低，前5阶固有频率也有了不同程度的提高，实现了移频和减重的结构改进设计目标，并给出了油底壳结构材料的最优分布图。为有效提高油底壳的结构刚度，进而改善柴油机整机的结构辐射噪声，奠定了基础。
关键词：柴油机
油底壳有限元法
拓扑优化
Topology Optimization Design of Diesel Engine
Oil Pan Based on HyperWorks
Zhang Guangjiong,Zhang Baocheng
（College of Mechanical Engineering &Automation,North University of China,
Taiyuan 030051,China ）
Abstract :Oil pan of diesel engine is a main component of structure noise radiation,and
also one of the key components which have the most potential in weight reduction.Modal analysis and improvement design of the oil pan of a certain type of large diesel engine based on topology optimization are carried by using feature -based solid modeling techniques and platform of HyperWorks-Optistruct software.In order to increase structural stiffness of the oil pan effectively,design model based on topology optimization is established by setting lightest structure quality as a target and 20%-increased natural frequencies of the oil pan as a constraint function.After optimization,the weight of oil pan was reduced significantly and first five order natural frequencies were increased to various degrees.The goals of frequency shift and structural weight reduction are achieved and an optimal distribution of structural material of the crankcase is obtained,which lay a foundation for effectively improving the structural rigidity of the oil pan and radiated noise of the engine.
Key words:diesel engine,oil pan,finite element method,topology optimization 柴油机设计与制造
Design &Manufacture of Diesel Engine
2010年第1期第16卷（
总第130期）来稿日期：20009-09-11基金项目：山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助作者简介：张光炯（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向为结构动态特性研究及结构优化设计。1概述
油底壳在柴油机运行中除了起到机油散热的作用外，最主要是储存润滑油和密封整个机体的作用。柴油机工作时，油底壳在整机影响下会产生复
杂的振动，是噪声的重要来源之一，其辐射噪声占总辐射噪声的25%左右[1~2]。因此，降低油底壳的振动和噪声是降低内燃机辐射噪声的重要环节。
提高结构刚度是改善结构振动性能的有效措
doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2010.01.005
（242
）18--
施，通过对结构的固有频率进行控制和调整，避免与外界激振力频率相等或相近，从而有效地降低结构的动力响应。在工程设计中，往往出现难以对多阶固有频率同时做出合适调整的难题。据此，本文基于美国澳汰尔公司的HyperWorks软件，建立以四面体单元为基本单元的油底壳有限元分析模型，提出了优化频率的动力学设计要求，对前几阶低阶自由模态的固有频率进行控制和调整。通过分析油底壳前5阶固有频率及振型，利用Optistruct模块对油底壳进行了移频和减重的多目标拓扑优化设计。
2HyperWorks软件及变密度拓扑优化法简介HyperWorks软件是一种应用广泛的有限元结构分析与优化软件，提供了优秀的前处理工具Hyper Mesh、用于实现结构优化设计的Optistruct 技术以及全面而通用的CAE后处理环境Hyper View，集成了设计与分析所需的各种工具，在汽车、航空航天、重装备、国防以及石油天然气等行业得到了广泛使用[3]。
结构拓扑优化方法的主要思想是在给定的设计区域内寻求材料的最优分布问题[4]。在优化过程中，给定的设计区域一般保持不变，而微结构的孔洞大小可以变化，如某一部分区域的微结构全部为孔洞，则这部分区域便被从设计区域上“移走”，从而形成一个大孔洞；反之，如部分区域上微结构孔洞全部消失，则这部分区域上便组成“实在结构”。这样初始设计均匀分布在设计区域上的材料便重新分布，形成新的结构形式，得到结构在一定条件下的最优拓扑。通常使用的拓扑优化算法有均质法和变密度法，本文采用变密度法。
变密度拓扑优化法是在设计区域设计了密度可变的虚拟材料，以单元的相对密度ρ作为设计变量，ρ的取值在0~1之间。以ρ=0表示该处是空洞，不需要填充材料；ρ=1表示该处是实体，需要保留材料。优化中出现的介于0和1中间密度材料，通过惩罚因子进行处理，尽量缩小其区域范围，在最终的优化结果中，设置相对密度的一个阈值，在密度值小于阈值处显示为无材料区域，而密度值大于或者等于阈值的区域显示为有材料区域[5~7]。
3油底壳有限元模型建立及模态分析
基于HyperWorks的有限元模型建立流程如图1所示。
3.1油底壳模型的导入、网格划分及质量检查
本文所研究的是一台90°夹角V8车用柴油机，四冲程，增压中冷，额定转速为2400r/min，缸径和行程分别为130mm和145mm。采用I-DEAS软件对该柴油机的油底壳建立几何模型，利用I-DEAS和HyperWorks软件间的接口，将油底壳几何模型导入。由于模型中圆孔、倒圆角的存在会影响网格划分质量，故对模型进行了合理的简化。利用HyperWorks中几何清理功能，将导入模型中存在的自由边、重复面(边)、缺面等错误进行修改和清理。油底壳的几何模型如图2所示。
采用单元尺寸1~5mm的四面体单元对集合模型进行网格自动划分，对模型细小处及突变面使用网格加密和单元过度功能，网格划分结果得到270438个单元。对于油底壳的有限元模型中质量差的单元，使用HyperWorks中网格质量检查功能，对所有单元的长宽比、塌陷值、雅可比值等特征进行检查，不合格单元予以修正。油底壳有限元模型如图3所示。
（243
）19
--
3.2油底壳约束模态分析
由于油底壳与柴油机机体之间采用螺栓连接，故在模态分析中，在油底壳上端与机体连接处施加全自由度约束，利用Optistruct 对油底壳的有限元模型进行约束模态计算，得到油底壳前5阶固有频率（注：由于对油底壳约束进行了简化处理，即采用全自由度约束，而且采用四面体四节点单元进行网格划分，故计算出的固有频率值会偏高）。前5阶固有频率及振型描述见表1。
该发动机的第1阶次激振频率为160Hz ，由于结构进行了部分简化，故油底壳前4阶固有频率都大于发动机的第1阶激振频率，第5阶固有频率由于迭代计算的原因，出现了频率值较低的现象。4油底壳的拓扑优化
结构优化是一个在给定设计变量和约束条件下的求目标函数最优化的过程。目标函数、设计变量、约束函数为优化问题的三要素。在完成三要素的设定后，其优化求解过程由Optistruct 软件自动完成。通过油底壳的约束模态分析，制定油底壳的优化问题策略。
4.1目标函数、设计变量和约束函数的定义
根据设计要求，将油底壳重量最小设定为目标值，将前5阶模态频率设定为约束函数。拓扑设计
变量为该模型所有区域内单元的相对密度。其中如何设定各阶固有频率的下限值是个难点，本文基于前序工作中以最大限度提高某一阶固有频率为目标的拓扑优化（即单目标优化）结果，得到了各阶频率的优化上限值。综合考虑优化结果，确定了控制前5阶模态频率提高约20%左右的约束函数。根据拓扑分析结果判断：优化空间的材料高密度单元保留，低密度单元删除。4.2优化结果及分析
在完成目标函数、设计变量、约束函数的设定
后，其优化求解过程通过Optistruct 软件自动完成。图4显示了30次迭代计算过程。图中显示，在前4阶固有频率提高的同时，第5阶频率在前5次迭代过程中出现降低的现象，这是优化过程中的正常现象，即优化过程中会优先考虑某些因素。
图5为优化前后的模态频率对比结果。由图5
（244
）20--
可以看出，优化后，油底壳前4阶的模态频率均提高了约20%，第5阶也有一定程度的提高。同时油底壳质量也由原先的32.43kg减少为20.88kg，减少了35.6%，减重效果明显。
图6为拓扑优化结果云图：深色显示为高密度单元，主要分布在顶部和前后两端；浅色为低密度单元，主要分布于油底壳底壳和两侧板部分，模态分析结果显示这部分区域为薄弱环节，优化结果显示了提高该区域结构刚度后的油底壳材料最佳分布情况。
结果图中阈值设为0.5后油底壳底壳和侧板中出现很多的“孔洞”，这是由于拓扑优化中变密度法中阈值的设定出现的结果，材料按优化结果分布。有限元模型优化后，密度小于阈值的单元会显示无材料，即“空洞”，密度大于阈值的则会显示有材料，即“实体”。当然，在整机结构中，油底壳起储存机油和密封整个结构的作用，所以结果中的“空洞”并不意味着铸造时无材料（拓扑优化变密度法也可以理解为伪密度法），而是表示此处单元在结构刚度影响中不起重要作用，“空洞”处在铸造时可以采取变薄或者换材料等措施。
但随着材料的减少，这部分区域同时会成为噪声辐射集中区，利用HyperWorks-Optistruct软件提供的形貌优化与拓扑优化相结合的方法，针对底壳和侧板（例如底板处能否也增加加强筋或者改变底板形状等措施）进行二次优化设计还有待进一步的研究，最终对改进的结构进行声学模拟计算验证，实现油底壳轻量化、低噪音的优化目标。
5结束语
（1）通过模态分析，得到了油底壳的低阶振动固有特性，确立了以重量最轻为优化目标，前5阶固有频率有效提高为约束函数的优化策略。
（2）优化后油底壳的总重量减轻了35.6%，油底壳的前5阶固有频率都得到了不同程度的提高，避开了可能发生共振的频率，实现了优化固有频率和减重的多目标优化。
（3）优化结果显示了满足设计要求的材料最优分布，为油底壳的最优设计提供了参考，体现了拓扑优化方法在发动机零部件初始设计过程中的应用价值。
参考文献
1吴炎庭，袁卫平.内燃机噪声振动与控制[M].北京：机械工业出版社，2005
2张保成，殷勋，张林仙.基于MDO技术的油底壳结构优化方法研究[J].系统仿真学报，2008
(14)：3800-3806.
3张胜兰，郑冬黎，郝琪等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
4蔡新，郭兴文，张旭明.工程结构优化设计[M].北京：中国水利水电出版社.2003.
5李民，舒歌群，卫海桥.基于拓扑优化和形状优化的低噪声齿轮室罩盖设计[J].内燃机工程，2008(6)：55-59.
6刘庆，侯献军.基于HyperMesh/Optistruct的汽车零部件结构拓扑优化设计[J].装备制造技术，2008(10)：42-44.
7邓兆祥，高书娜，胡玉梅.基于拓扑优化的轿车车身低噪声设计[J].振动与冲击，2008(11)：168-172.
（245
）21
--