某發動機EGR閥座的拓撲優化及有限元分析

2018-07-09 12:27:46張應兵孫影

汽車零部件 2018年6期

張應兵，孫影

(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽合肥 230000)

0 引言

發動機產品越來越多地應用EGR(Exhaust Gas Recirculation,廢氣再循環)技術，通過EGR閥的控制可將排出的廢氣導入進氣歧管，進入發動機氣缸重新參與燃燒，可以減少進氣沖程的泵氣損失來降低油耗；運用EGR閥可以降低發動機在啟動工況、怠速和低負荷工況時由于節氣門開度較小引起的節流損失；大負荷、高速及油門全開時，EGR閥能夠降低排氣溫度。

為了滿足公司節油指標的需要，提升公司乘用車產品的競爭力，某公司擬在某款發動機產品上應用EGR技術，EGR閥通過閥座與缸體聯接，因此需設計EGR閥的安裝閥座。根據該發動機原布置方案，設計工程師給出了閥座最大設計空間的初始模型，如圖1所示。

圖1 EGR閥座三維模型

文中將通過拓撲優化設計進行減材料優化，給出閥座的最佳結構，實現輕量化，并對此結構的NVH(Noise Vibration Harshness)性能和強度進行分析、驗證。

1 拓撲優化

結構優化按照設計變量的不同分為3個層次：尺寸優化、形狀優化和拓撲優化[1]。其中，拓撲優化是以改善結構力學性能或減輕結構質量為目標的一種新型的結構設計方法[2]，它在減輕質量、提高結構模態和強度研發中的作用日益重要。拓撲優化是基于拓撲數學方法識別幾何體的冗余空間結構，生成更加合理的優化形狀及材料分布。

1.1 計算描述

對設計工程師提供的EGR閥座實體模型進行切割，識別出可設計區域(淺灰色)和不可設計區域(深灰色)，如圖2所示。將可設計區域和不可設計區域作為兩個獨立的實體進行網格劃分，分別保存在不同的Component中，并保證二者接觸面上的網格節點一一對應，最終通過共節點將二者的體網格模型聯接起來。

有限元模型劃分好之后，創建用于拓撲優化分析的設計變量、響應，并定義約束、目標函數。在此優化計算中將可設計區域的單元密度定義為設計變量，約束可設計部分體積上限為原體積的40%，優化目標是使第一階固有頻率最大化，另外還需要定義一個求解模態頻率的載荷步，以便在定義頻率響應時調用。以上參數設置完畢后，在HyperMesh中，調用OptiStruct求解器進行求解以確定優化的材料分布，求解之后使用HyperView進行后處理、查看結果。

1.2 拓撲優化結果

圖3所示為EGR閥座的單元密度云圖，云圖中灰色區域單元的密度趨于1.0，表示該單元位置處的材料很重要，需要保留；云圖中黑色區域單元的密度趨于0.0，表示該單元處的材料不重要，可以去除，從而達到材料的高效率利用，實現輕量化設計。

如圖3所示，為實現輕量化，可以對圖中橢圓1、2標記處的結構進行倒圓角處理。

圖4所示為EGR閥座的第一階模態振型圖，其振型主要表現為繞著Y軸的往復擺動。為提高其結構剛度，可以采取在圖4中橢圓1標記的結構處進行加筋處理，達到抑制其一階模態振型的目的。

圖3 EGR閥座單元密度云圖

圖4 EGR閥座第一階模態振型

2 優化后結構驗證

根據拓撲優化結果，設計工程師對EGR閥座的結構進行優化，去除不重要的材料并在薄弱處添加加強筋，最終優化后的EGR閥座的結構如圖5所示。為驗證拓撲優化的效果，對EGR閥座進行模態分析和強度分析。

圖5 拓撲優化后的EGR閥座結構

2.1 計算描述

為更加真實地模擬閥座的約束及受力，在對閥座進行模態和強度及疲勞分析時，按照閥座與零部件的實際裝配、連接關系進行建模，主要包括EGR閥座、進氣歧管、缸體、缸蓋、EGR、波紋管、螺栓、導流管及其墊片等，將所有零部件的STP格式三維模型導入HyperMesh中進行網格劃分，并設置好材料屬性以及各零部件間的接觸或綁定關系。

EGR閥座材料鑄鋁的屈服極限為180 MPa。

螺栓規格為M8，打緊扭矩為20～25 N·m，相應的最大螺栓預緊力為19 800 N，最小螺栓預緊力為12 400 N。