基于拓撲優化的發動機油底殼設計研究

李歡，胡昌良

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于拓撲優化的發動機油底殼設計研究

李歡，胡昌良

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

以某發動機油底盤為研究對象，對其進行拓撲優化，以期最大程度提升其一階約束模態頻率，同時滿足生產制造工藝的要求。拓撲優化采用OptiStruct軟件，通過對油底盤3D模型劃分限元網格、選定優化區域，并設定加強筋和優化參數，經優化計算得到合理的加強筋布置結構。優化后的油底盤剛度得到大幅提升，模態頻率增大了約54%，取得了較好的優化效果。

油底盤；拓撲優化；模態

概述

隨著汽車工業的發展，安全性和耐久性已成為汽車部件最為基本的要求，而考慮到駕乘人員感受的舒適性越來越受到重視。NVH作為衡量舒適性的關鍵指標，在產品開發中的地位也愈發重要。發動機的油底盤主要用來盛放發動機潤滑機油，其一般為薄壁平板結構，是發動機的主要噪聲源，對發動機的 NVH有較大的貢獻。目前油底盤的設計主要考慮系統的密封性，設計的隨意性比較大，常常帶來較為嚴重的NVH問題，影響發動機產品的品質。油底盤的優化主要通過合理布置加強筋來提升其剛度和頻率，從而減少其輻射噪聲。本文應用拓撲優化的方法對某發動機油底盤進行優化，通過優化加強筋的布置，提升蓋板的模態頻率，從而達到降低輻射噪聲的目的。

1 拓撲優化方法簡介

拓撲優化的基本原理是在一個給定的設計空間里尋求材料的合理分布方式，得到某一變量的極值。拓撲優化的主要方法包括變密度法、漸進結構優化方法和水平集方法等[1]。目前以變密度方法應用最為廣泛，尤其在汽車領域得到了很大的推廣。本文中對發動機油底盤的優化也采用變密度法。變密度法是根據均勻化方法得到的一種有效的結構優化方法，其不引入微結構，而是賦予單元0-1的假想密度，通過不斷迭代的過程，保留密度大的單元，刪除密度小的單元，從而得到最終的優化區域。

同其它類型優化方法一樣，拓撲優化是尋找參數最佳設定以滿足一定數目約束下的特定目標最大化（最小化或趨近設定值）。在數學上可以歸結為如下問題：

其中F(xi)是優化目標函數，本文中是以油底殼頻率為最大目標。

g(xi)是約束方程組。

x是設計變量，密度法中即設計空間中單元的密度，取值范圍為(0,1]。

2 油底盤有限元模型

拓撲優化的第一個步驟就是定義優化區域（即可以進行優化的部位），也就是前面提到的設計空間。在網格制作模型的過程中，需要把一個部件上能夠優化的部位和不能優化的部位要分開，對需要優化的部分定義單獨的單元集合，指定為設計區域。設計區域的網格尺寸需要綜合考慮計算規模和優化效果，不能過小也不能過大，一般要求處于特征尺寸的1/2~1/5即可。

油底盤設計首先根據發動機在整車上的布置和潤滑系統需求的潤滑油量定義好其外形尺寸，基礎結構按基本壁厚設計，不用設計加筋結構，此部分是不進行優化部位。內部空間則需要避開與其它部件的干涉，據此定義好設計空間，如下圖所示，其中藍色為基礎結構，黃色為優化空間。三維模型采用Pro/E完成。

圖1 油底盤優化幾何結構

對以上幾何模型劃分網格，藍色區域網格尺寸設定為3~4mm。根據鑄造要求，最小筋厚度為5mm，因此設定優化區域網格尺寸為2mm。整個模型總共劃分32000多個單元。

圖2 有限元網格

油底盤材料為鋁合金，其彈性模量為 69GPa，泊松比0.33，密度為2710kg/m3?？紤]到油底盤實際安裝狀態，將油底盤與發動機缸體安裝面進行約束。

3 油底盤拓撲優化

拓撲優化的流程如下圖所示，計算軟件采用 Altair Hyperworks。

圖3 拓撲優化流程圖

優化目標即優化的方向，一般目標是某變量最大或最小，如質量m最小、頻率f最大等[2]。油底盤拓撲優化目標定義為一階模態頻率f1最大。

最后根據制造工藝還可以定義筋的樣式，包括筋寬w、筋高h、起筋角度θ和起筋方向等[3]。

經過多輪次迭代計算得到優化結果如圖4所示?？梢钥闯鐾負鋬灮玫绞且粋€比較粗略的材料分布結果，優化完成后還需要對優化的節點進行曲面重構，得到滿足工藝要求的優化結構如圖5。

圖4 拓撲優化結果

圖5 最終三維模型

4 結果分析

對未加筋和拓撲優化加筋方案進行模態分析，比較其一階模態頻率結果。

圖6 未加筋一階模態

圖7 拓撲優化方案一階模態

優化前油底盤的一階模態頻率值為971Hz，優化后為自由筋為 1503Hz，較優化前提升了 532Hz（54%），能夠大大減小結構的響應，降低 NVH值，同時達到企業的內部評價標準?？梢娡ㄟ^拓撲優化合理布置筋的位置對提高蓋板模態頻率能起到了較好的效果。

5 結語

拓撲優化方法是一種高效便捷的結構設計優化方法，通過設定合理的優化區域和工藝控制參數，就能夠快速得到能滿足制造需求的優化結構模型，避免了僅依據設計經驗而進行的盲目設計。文中對某發動機油底盤進行形貌優化分析，得到了滿足工藝要求的結構，優化后油底盤一階頻率提升54%，取得了較為滿意的結果。此次分析旨在表明優化技術是提升產品品質的有力手段，在設計開發中具有廣泛的應用前景。

[1] 姜立嫂.FSC 賽車車架結構動態特性分析與優化設計[D]．北京信息科技大學,20 13.

[2] HyperWorks Desktop User Guides [P] ， version13.0.

[3] 季學榮,丁曉紅. 基于拓撲和形貌優化的汽車發動機罩板設計[J].機械設計與研究,2011（2）：35 – 38.

Research on the design of engine oil sump based on topology optimization

Li Huan, Hu Changliang
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

taking a certain engine oil chassis as the research object, and on the topology optimization, in order to ascend to the greatest extent one order constraint modal frequency, at the same time satisfy the requirement of manufacture craft.Topology optimization using OptiStruct software, through to the oil chassis 3 d model grid division limit, the selected optimization area, and set to strengthen and optimize the parameters, reasonable stiffener layout structure is calculated by optimization. The optimized oil chassis stiffness was greatly improved, and the modal frequency increased by about 54%,and the optimized results were achieved.

oil chassis; Topology optimization; The modal

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-25-03

U464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-25-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.009

李歡，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。