發動機機體加強板輕量化設計

趙文彬，齊偉，胡琦山，云峰，王有治

1.內燃機可靠性國家重點實驗室,山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司 發動機研究院,山東 濰坊 261061

0 引言

SolidThingking是一款專為設計工程師打造的計算機輔助軟件，適用于產品概念結構的構建以及方案的可視化處理。Inspire是其中的子模塊，應用Altair OptiStruct求解器，利用工程上的“拓撲優化”技術，最終獲得材料最省的最佳受力結構，便于進行概念階段的輕量化設計。Inspire界面簡單，且無需進行網格前處理工作，易學易用，非常適合設計工程師進行快速的方案驗證，縮短設計仿真周期[1-3]。本文中采用Inspire軟件，在滿足可靠性的前提下對發動機機體加強板進行結構優化，多輪迭代后得到最優方案。

1 機體加強板

機體內部承受燃燒載荷及運動件的沖擊載荷，外部則承擔著大部分配附件的聯接，作為發動機骨架，需保證足夠的剛度及強度，以確保發動機整個生命周期內的可靠性。為加強機體剛度，除強化機體本身結構外，可采用機體加強板對機體裙部剛度進行強化。機體加強板安裝固定在龍門式機體的下平面，連接機體左右裙部，增加機體裙部剛性，降低機體振動噪聲，如圖1所示。為保證剛度強化效果，多數機體加強板結構設計復雜、板壁很厚，雖然有利于提升整體剛度，但是過度強化會大幅增加整機質量，經濟性差。輕量化是實現整車節能減排的重要途徑，研究表明，整車質量每降低10%，整車油耗可降低6%～8%[4-6]，現代柴油機不僅要保證可靠性，也要重視輕量化。為有效實現輕量化的目標，需對發動機機體加強板進行輕量化設計。

圖1 機體加強板安裝示意

2 模態分析與加強板選型

以某四缸直列發動機為例，為減少機體振動帶來的可靠性降低及噪聲問題，需要增強機體剛度，同時要求進行輕量化設計。設計過程中，根據機體加強板的缸數、位置設計選型方案，綜合評估剛度及質量，獲得最佳的加強板設計方案。

2.1 機體加強板三維模型及選型方案

四缸機機體概念設計三維模型及加強板簡化模型如圖2所示。概念設計階段需要確認機體加強板的初步設計方案，為快速驗證，采用如圖2 b)所示的簡化模型用于初始選型。

a)機體 b)加強板簡化模型

以加強板所覆蓋的缸數為單一要素設計加強板方案，6種機體加強板方案如表1所示。對機體與不同位置的加強板進行模態分析，通過數據對比選擇最優方案。

表1 機體加強板方案

2.2 仿真參數設置及結果

機體與機體加強板材料均為灰鐵，彈性模量為117 GPa、泊松比為0.26、密度為7200 kg/m3。

方案1(整體四缸)仿真模型如圖3所示。機體加強板采用四缸簡化模型，利用Inspire軟件中的螺栓連接功能，將機體加強板與機體裝配。Inspire中的計算參數設置如下：仿真模型單元尺寸為6 mm；模態分析數量為6，即不施加外界載荷的情況，計算前6階自由模態頻率；接觸設置為滑動接觸。

圖3 方案1(整體四缸)仿真模型 圖4 方案1第一階模態變形云圖

方案1的第一階模態變形云圖如圖4所示。

由圖4可知，方案1第一階變形呈現沿曲軸方向的一階彎曲形態，第一階模態頻率為859 Hz。

2.3 加強板選型結果

采用同樣的仿真設置，對其他5種加強板方案及原方案(即單獨機體，定義為方案7)進行模態分析，各方案的仿真模型如圖5所示。不同方案的加強板在方案1的基礎上減少缸數，且安裝位置也有所不同，對不同方案進行模態分析以評估不同缸數、不同位置下的最優方案。

a)方案2 b)方案3 c)方案4 d)方案5 e)方案6 f)方案7

各加強板方案和單獨機體的第一階模態變形云圖如圖6所示。由圖6可知，各方案的第一階變形都是沿曲軸方向的一階彎曲變形，但是由于加強板覆蓋缸數以及位置不同，變形形態、一階模態頻率、位移均不同。

圖6 方案2～7的第一階模態云圖

計算各方案一階模態頻率并與方案7進行對比，得出各方案在模態頻率上的提升率，如表2所示。

表2 機體加強板方案的一階模態頻率及提升率

由表2中可知，采用方案1，即四缸整體加強板的模態頻率強化效果最好，第一階模態頻率提升66%；方案2、3均采用3個缸的加強板，由于機體本身前后端結構剛度略有差異，模態頻率提升效果不同，分別為49%、51%；2個缸的機體加強板方案中，方案4、6的模態頻率提升效果最差，僅為20%，方案5的模態頻率提升率為40%，遠高于方案4、6。

方案1、2、3、5的模態頻率均大于700 Hz，相對方案7，模態頻率提升率均超過40%，其中方案5是唯一的2缸加強板方案，質量最小，綜合考慮模態頻率與質量，確定方案5為最終選型方案。

3 拓撲優化

拓撲優化是一種根據約束、載荷及優化目標尋求結構、材料最佳分配的優化設計方法。該方法突破了傳統設計依賴于經驗的局限性，在概念設計階段通過拓撲優化技術自動尋找最佳的結構布局，并可轉化為三維模型。拓撲優化得到的零部件的產品結構更輕便，可大幅降低原材料成本；零件剛度更大，避開共振，提高可靠性，延長壽命；傳力路徑更加清晰，結構設計更有針對性；更加符合人機工程學，美學意義更加凸顯[7-11]。

3.1 傳統三維模型

在對現有發動機零部件進行改進或全新設計時，產品設計工程師易受現有產品結構的束縛，難以進行創新。根據機體加強板選型方案，按照傳統設計經驗，第2、3缸加強板設計(記為方案8)如圖7所示。傳統設計的機體加強板模型，采用了大量的加強筋以及彎曲造型，結構復雜、質量較大且降低鑄造模具使用壽命。

圖7 按照傳統經驗設計的加強板

3.2 基于Inspire的拓撲優化

為獲取最佳設計方案，平衡可靠性與輕量化，采用Inspire軟件對加強板拓撲優化，提高設計效率和一次設計成功率。拓撲優化的機體加強板簡化模型、Inspire中建立的仿真模型如圖8所示。

a)簡化加強板模型 b)仿真模型

因為裝配工況下需對連桿包絡進行避讓，因此簡化模型設計為彎曲結構。Inspire仿真模型中，以機體加強板為設計空間，優化目標為質量最小化；為保證剛度提升效果，以模態頻率提升50%作為拓撲優化目標值，即模態頻率目標設置為770 Hz；厚度約束設置為10 mm。

方案5的拓撲優化結果如圖9所示，其主要傳遞路徑為螺栓連線，且保留了中間部位的材料，與之前經驗設計的加強板結構不同。根據拓撲優化后的結果，可獲得更加精準的設計方案，避免經驗設計帶來的誤區。

圖9 方案5拓撲優化結果

4 三維重建與模態分析

4.1 三維重建

對方案5的拓撲模型進行三維重建，其2種不同三維結構狀態如圖10所示。圖10a)為初始模型，主要加強螺栓之間連線結構以及中部結構。圖10b)為在圖10a)的基礎上，考慮結構工藝性、加工定位以及流轉運輸的要求，進行結構升級后的三維模型。

a)初始模型 b)結構升級后

為確保后續批量化生產，確定圖10b)所示方案為最終方案，記為方案9。

4.2 模態分析

采用Inspire軟件和同樣的仿真設置，對采用傳統經驗設計的方案8及拓撲優化、結構升級后的方案9進行模態分析，結果如圖11、12所示。

a)仿真模型 b)第一階模態變形云圖

a)仿真模型 b)第一階模態變形云圖

方案8、9的第一模態頻率、質量對比如表3所示。由表3可知：1)2種設計思路的加強板與機體配合后，其模態頻率相對于單獨機體都有大幅提高，達到單獨機體的1.5倍，機體剛度也大幅提高；2)方案8、9的一階模態頻率僅相差1%，表明無目的性的復雜結構對于剛度提升影響較小，而保證關鍵結構路徑才能有效提升結構剛度；3)相對于方案8，方案9質量減輕約35%，輕量化效果明顯。

表3 方案8、9第一階模態、質量對比

5 結論

采用SolidThinking Inspire軟件，在滿足功能的前提下對機體加強板進行輕量化設計，通過多輪迭代獲得最優設計方案。1)為加強整機剛度，按照傳統經驗設計的機體加強板通常結構復雜、工藝繁瑣，且很難均衡剛度與質量的關系。2)采用Inspire軟件，對不同機體加強板方案進行選型，對比分析不同缸數、不同位置的機體加強板的第一階模態頻率，綜合評估質量與剛度，確認采用第2、3缸機體加強板。3)根據拓撲優化后的結構進行三維重建，同時考慮工藝性與量產要求，確定了機體加強板的最終方案，其模態頻率達到單獨機體的1.5倍，與傳統模型的模態頻率相當，且質量比傳統設計模型輕35%，剛度與可靠性達到最優效果。