基于形貌優(yōu)化技術的發(fā)動機油底殼設計方法分析

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

關鍵詞：油底殼；形貌優(yōu)化；加強筋；設計頻率

中圖分類號：U464.136.5 文獻標志碼：A 文章編號：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

現代汽車設計對減重和降低成本的需求越來越高，以往車用發(fā)動機油底殼材料一般都為鋼或鑄鋁，而目前國外先進的汽車制造商越來越傾向于塑料油底殼的研發(fā)和生產。塑料油底殼不僅可以減少模具制造的費用，而且也省略了鋁合金油底殼壓鑄后的機械加工工序，其生產成本應比鋁合金油底殼低30%～40%。另外，塑料油底殼還因為集成了油道、吸油管、機油過濾器、單獨的備用油口和防濺板等，進一步減少了空間占用、生產制造費用和裝配費用。同時塑料油底殼還能大幅降低其輻射噪聲，提高車內成員的舒適性。

一種全新的產品開發(fā)需要控制其開發(fā)周期和成本，此時需要引入先進的技術來確保產品開發(fā)的順利完成。油底殼的薄板結構形式決定了其設計的難點在于其加強筋的布置，如果其布置合理就可滿足設計頻率需求。形貌優(yōu)化是在板形結構中尋找最優(yōu)的筋分布的概念設計方法，該方法適合應用于汽車及發(fā)動機薄板型沖壓件的設計，通過提高結構的某一階模態(tài)頻率來提高該頻率附近的結構剛度。本文對形貌優(yōu)化技術在塑料油底殼設計中的應用進行研究，得到一種基于形貌優(yōu)化技術的發(fā)動機油底殼設計方法。

1 傳統設計方法與形貌優(yōu)化設計方法比較

目前在油底殼的設計開發(fā)中已普遍采用有限元軟件分析油底殼固有頻率，但是對每一設計方案都需要進行一次CAE分析，工程師只能根據前一次的分析結果及設計經驗來改進設計，設計過程是設計—分析—改進—再分析的往復周期，效率較低，且由于開發(fā)周期的限制使最終的設計方案不一定是最優(yōu)的。整個設計流程如圖1所示。

形貌優(yōu)化技術是一種面向薄壁結構和鈑金件的概念設計技術，該技術設計人員在設計初始階段就可以快速確定加強筋的布局。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，并根據設計要求設定優(yōu)化目標同時設定約束條件，通過形貌優(yōu)化軟件(如OptiStruct)自動的優(yōu)化迭代計算得出最佳的加強筋布局，整個分析流程如圖2所示。

圖2 基于形貌優(yōu)化技術的油底殼設計流程

由圖1、圖2可知，傳統油底殼的設計方法主要時間都集中在改善、優(yōu)化加強筋的布置上，而形貌優(yōu)化的設計方法通過一步形貌優(yōu)化計算就基本完成了，且通過形貌優(yōu)化設計的油底殼加強筋布置效果通常都是最優(yōu)的。若仍不能滿足設計要求，則表明通過布置加強筋的方法無法滿足設計要求，必須更改最初設計。這種設計思路大大壓縮了設計時間，優(yōu)化了設計流程。下面以某發(fā)動機塑料油底殼設計開發(fā)為例對基于形貌優(yōu)化的油底殼設計方法進行詳細描述。

2 基于形貌優(yōu)化技術塑料油底殼設計實例

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計目標為一階頻率不低于鋼板制油底殼15%即240 Hz。

2.1 原始設計分析

首先對原始設計模型進行模態(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，計算其約束模態(tài)。模型劃分時根據其結構特點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、板單元46 187個、節(jié)點79 758個。圖3為塑料油底殼原始設計模型網格圖，圖4為其一階模態(tài)振型圖。分析結果表明，塑料油底殼原始設計結構一階頻率為216 Hz，遠低于設計目標，需要改進。

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，應該將該區(qū)域定義為設計區(qū)，應用OptiStruct軟件對其進行形貌優(yōu)化分析。首先在油底殼原始設計基礎上將其底面加強筋去掉，用平板代替；其次將該平板定義成可設計區(qū)，其余部位為非設計區(qū)；最后定義優(yōu)化目標為一階模態(tài)頻率最大。圖5為油底殼優(yōu)化后概念設計模型結構，圖6為其一階模態(tài)振型圖。

圖6 油底殼概念設計模型一階振型圖

優(yōu)化結果顯示，優(yōu)化后的概念設計模型一階頻率達到280 Hz，能夠滿足設計要求。對優(yōu)化后的概念模型（見圖5）進行解讀來確定加強筋的具體參數（見圖7、圖8）。表1為根據概念設計模型確定的加強筋具體參數。

2.3 仿優(yōu)化設計分析

經工藝及實際情況考慮過后確定最后的仿優(yōu)化設計結果（見圖9），并對其進行模態(tài)計算，得到其一階頻率為251 Hz（見圖10），說明仿優(yōu)化設計方案能夠滿足設計要求；表2為各方案油底殼模態(tài)分析結果。

3 結論

通過形貌優(yōu)化技術對油底殼進行設計，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筋的最佳布局和具體參數，可避免反復設計、驗證工作，大幅降低開發(fā)時間。

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

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