基于形貌優(yōu)化技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼設(shè)計(jì)方法分析

摘要：提出一種基于形貌優(yōu)化技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼設(shè)計(jì)方法，并以最優(yōu)化某發(fā)動(dòng)機(jī)塑料油底殼第一階固有頻率為例，在OptiStruct軟件中對該方法進(jìn)行了仿真。根據(jù)形貌優(yōu)化分析結(jié)果確定其加強(qiáng)筋最佳布局方式，第一階固有頻率增加了16% ，改善效果明顯，并滿足了設(shè)計(jì)頻率要求。表明該設(shè)計(jì)方法可以保證油底殼的全新開發(fā)，同時(shí)能夠大幅縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：油底殼；形貌優(yōu)化；加強(qiáng)筋；設(shè)計(jì)頻率

中圖分類號(hào)：U464.136.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）05-0049-03

Design of Engine Oil Pan Based on Topography Optimization

GENG Guang-rui，LANG Bao-yong，CHEN Shi-ming

（Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China)

Abstract：Topograph Optimization technique is proposed to the engine oil pan design and to optimize of a plastic engine oil pan’s first-order natural frequency as an example. OptiStruct software provide this method to realize it. According to the results of optimization analysis to determine the best layout of enforcement rib， the first-order natural frequency increased 16%， significantly improving the effectiveness and meets the design requirements of frequency. The design method can guarantee that the new development of oil pan， at the same time can greatly shorten the development cycle and reduced development costs.

Key words：oil pan；topography optimization；enforcement rib；designed frequency

現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)對減重和降低成本的需求越來越高，以往車用發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼材料一般都為鋼或鑄鋁，而目前國外先進(jìn)的汽車制造商越來越傾向于塑料油底殼的研發(fā)和生產(chǎn)。塑料油底殼不僅可以減少模具制造的費(fèi)用，而且也省略了鋁合金油底殼壓鑄后的機(jī)械加工工序，其生產(chǎn)成本應(yīng)比鋁合金油底殼低30%～40%。另外，塑料油底殼還因?yàn)榧闪擞偷馈⑽凸堋C(jī)油過濾器、單獨(dú)的備用油口和防濺板等，進(jìn)一步減少了空間占用、生產(chǎn)制造費(fèi)用和裝配費(fèi)用。同時(shí)塑料油底殼還能大幅降低其輻射噪聲，提高車內(nèi)成員的舒適性。

一種全新的產(chǎn)品開發(fā)需要控制其開發(fā)周期和成本，此時(shí)需要引入先進(jìn)的技術(shù)來確保產(chǎn)品開發(fā)的順利完成。油底殼的薄板結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于其加強(qiáng)筋的布置，如果其布置合理就可滿足設(shè)計(jì)頻率需求。形貌優(yōu)化是在板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的筋分布的概念設(shè)計(jì)方法，該方法適合應(yīng)用于汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)薄板型沖壓件的設(shè)計(jì)，通過提高結(jié)構(gòu)的某一階模態(tài)頻率來提高該頻率附近的結(jié)構(gòu)剛度。本文對形貌優(yōu)化技術(shù)在塑料油底殼設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，得到一種基于形貌優(yōu)化技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼設(shè)計(jì)方法。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法比較

目前在油底殼的設(shè)計(jì)開發(fā)中已普遍采用有限元軟件分析油底殼固有頻率，但是對每一設(shè)計(jì)方案都需要進(jìn)行一次CAE分析，工程師只能根據(jù)前一次的分析結(jié)果及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程是設(shè)計(jì)—分析—改進(jìn)—再分析的往復(fù)周期，效率較低，且由于開發(fā)周期的限制使最終的設(shè)計(jì)方案不一定是最優(yōu)的。整個(gè)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

形貌優(yōu)化技術(shù)是一種面向薄壁結(jié)構(gòu)和鈑金件的概念設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初始階段就可以快速確定加強(qiáng)筋的布局。具體操作流程為：確定需要起筋的區(qū)域、筋的最大高度、寬度和起筋的角度等參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)同時(shí)設(shè)定約束條件，通過形貌優(yōu)化軟件(如OptiStruct)自動(dòng)的優(yōu)化迭代計(jì)算得出最佳的加強(qiáng)筋布局，整個(gè)分析流程如圖2所示。

圖2 基于形貌優(yōu)化技術(shù)的油底殼設(shè)計(jì)流程

由圖1、圖2可知，傳統(tǒng)油底殼的設(shè)計(jì)方法主要時(shí)間都集中在改善、優(yōu)化加強(qiáng)筋的布置上，而形貌優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法通過一步形貌優(yōu)化計(jì)算就基本完成了，且通過形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)的油底殼加強(qiáng)筋布置效果通常都是最優(yōu)的。若仍不能滿足設(shè)計(jì)要求，則表明通過布置加強(qiáng)筋的方法無法滿足設(shè)計(jì)要求，必須更改最初設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)思路大大壓縮了設(shè)計(jì)時(shí)間，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程。下面以某發(fā)動(dòng)機(jī)塑料油底殼設(shè)計(jì)開發(fā)為例對基于形貌優(yōu)化的油底殼設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)描述。

2 基于形貌優(yōu)化技術(shù)塑料油底殼設(shè)計(jì)實(shí)例

原鋼板制油底殼的一階頻率為284 Hz，我們給出塑料油底殼的設(shè)計(jì)目標(biāo)為一階頻率不低于鋼板制油底殼15%即240 Hz。

2.1 原始設(shè)計(jì)分析

首先對原始設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，分析采用ALTAIR/HyperWorks9.0軟件完成。模型所用材料為復(fù)合材料SMC，泊松比μ=0.3，彈性模量E=11GPa，密度ρ=1.8×103 kg/m3。約束油底殼基座四周固定孔，計(jì)算其約束模態(tài)。模型劃分時(shí)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對油底殼基座采用四面體單元，對薄壁區(qū)域采用四邊形板單元；模型劃分單元尺寸定義為5 mm，體單元128 115個(gè)、板單元46 187個(gè)、節(jié)點(diǎn)79 758個(gè)。圖3為塑料油底殼原始設(shè)計(jì)模型網(wǎng)格圖，圖4為其一階模態(tài)振型圖。分析結(jié)果表明，塑料油底殼原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一階頻率為216 Hz，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要改進(jìn)。

2.2 形貌優(yōu)化分析

從油底殼振型圖上可以看出其底面是薄弱的部位，應(yīng)該將該區(qū)域定義為設(shè)計(jì)區(qū)，應(yīng)用OptiStruct軟件對其進(jìn)行形貌優(yōu)化分析。首先在油底殼原始設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上將其底面加強(qiáng)筋去掉，用平板代替；其次將該平板定義成可設(shè)計(jì)區(qū)，其余部位為非設(shè)計(jì)區(qū)；最后定義優(yōu)化目標(biāo)為一階模態(tài)頻率最大。圖5為油底殼優(yōu)化后概念設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)，圖6為其一階模態(tài)振型圖。

圖6 油底殼概念設(shè)計(jì)模型一階振型圖

優(yōu)化結(jié)果顯示，優(yōu)化后的概念設(shè)計(jì)模型一階頻率達(dá)到280 Hz，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。對優(yōu)化后的概念模型（見圖5）進(jìn)行解讀來確定加強(qiáng)筋的具體參數(shù)（見圖7、圖8）。表1為根據(jù)概念設(shè)計(jì)模型確定的加強(qiáng)筋具體參數(shù)。

2.3 仿優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

經(jīng)工藝及實(shí)際情況考慮過后確定最后的仿優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果（見圖9），并對其進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到其一階頻率為251 Hz（見圖10），說明仿優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求；表2為各方案油底殼模態(tài)分析結(jié)果。

3 結(jié)論

通過形貌優(yōu)化技術(shù)對油底殼進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用OptiStruct形貌優(yōu)化分析軟件只需一步分析工作就可確定油底殼加強(qiáng)筋的最佳布局和具體參數(shù)，可避免反復(fù)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證工作，大幅降低開發(fā)時(shí)間。

由此技術(shù)得到的仿優(yōu)化設(shè)計(jì)塑料油底殼一階頻率相比原始設(shè)計(jì)提升16%，效果明顯，且滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，說明該設(shè)計(jì)方法有效、可行。

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