基于拓撲方法的發電機支架優化設計分析

涂 晴，張宏偉，申一方

基于拓撲方法的發電機支架優化設計分析

涂 晴1,2，張宏偉3，申一方1,2

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052；2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 330052；3.寶雞職業技術學院機電信息學院，陜西 寶雞 721000）

文章基于有限元對發電機支架進行模態分析，并采用拓撲優化技術對支架重新設計優化。支架一階頻率為約束條件和支架體積分數最小為目標進行拓撲優化分析，依據優化結果對支架重新設計和分析。采用拓撲方法指導支架設計不僅使支架滿足模態目標，同時達到輕量化目的。開發過程中拓撲優化技術為零部件結構優化設計提供思路，縮短了開發周期和設計成本。

發電機支架；模態分析；拓撲優化；輕量化

發電機是汽車發動機重要組成部分，發電機總成的安全性，強度以及噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能都特別重要。發電機支架起到承上啟下的作用，在發動機運行過程中，一方面要接受來自發動機的激勵源，另一方面還要承受發電機工作時本身產生的振動激勵，發電機支架的模態、強度等性能對發電機總成的性能至關重要。在保證發電機支架性能的同時，也應盡量減少支架重量，降低重量成本。發電機支架開發過程中運用有限元方法進行結構和輕量化設計，確保支架可靠性同時能夠大幅縮短時間周期和各種研發成本，對其他相關零件開發具有指導意義[1]。

李嘉通等[2]實車過程中發現因壓縮機引起的怠速車內噪聲問題，通過實測和仿真確認是由于壓縮機總成一階模態過低導致，最后通過提高壓縮機支架剛度提升模態，最終有效解決了壓縮機導致的車內噪聲問題。亓宗磊等[3]在發電機支架重新設計開發過程中，利用有限元方法對支架進行強度和模態分析，分析結果發現安全裕度較大，且支架較重。最后根據計算結果對支架結構優化，在保證支架性能的同時支架重量。周圍等[4]通過有限元方法先對整體機構進行了強度和模態的仿真分析，再利用變密度法拓撲優化法對其進行拓撲優化對結構進行設計優化，實現了性能提升和結構輕量化。LI[5]事先定義響應目標和約束條件，通過拓撲優化方法和仿真方法對結構優化，提高了零件結構的性能。陳思穎[6]運用有限元方法對發電機支架進行了強度、模態的分析，通過分析結果找到薄弱區域，為結構設計優化提供參考。

本文針對某柴油發電機支架在開發過程中設計的原支架方案在模態仿真分析時一階頻率不能滿足NVH目標，采用變密度法以一階模態最低為約束條件，最小體積分數最小為目標進行拓撲優化分析，依據拓撲分析結果并依據實際工程布置和工藝設計出新支架，重量較原支架減輕20%，一階頻率提升至175.8 Hz，滿足NVH模態目標。

1 模態分析

采用HyperMesh前處理軟件網格劃分，對支架和發電機本體采用四面體網格劃分。支架材料為灰口鑄鐵HT250，發電機本體材料為鑄鋁，支架質量6.0 kg，發電機本身重5.88 kg，劃分完成的發電機要保證質量、質心與實際一致，發電機總成如圖1所示。

圖1 發電機支架總成模型

安裝在發動機上的部件主要受發動機振動影響，本文發動機為四缸柴油發動機，激勵頻率計算如式（1）所示。通過發動機最高轉速以及安全系數，本文柴油發動機最高轉速5 000 r/min，安全系數1.05，計算得到發電機支架總成頻率一階至少要滿足175 Hz。

因發電機總成是通過螺栓安裝在發動機缸體，為確保支架模態結果準確可靠，參與分析模型除支架本身以外，還應包括發電機和周邊相關件，如發動機缸體等。計算模型如圖2所示。MSC.Nastran軟件進行模態仿真計算分析，發電機支架一階模態頻率為173.8 Hz，略低于175 Hz目標。為了降低后期實車發電機支架與發動機發生共振風險，同時響應國家節能減排政策降低整車重量，對支架在滿足NVH性能前提下進行輕量化設計，本文采用拓撲優化技術對支架進行輕量化指導設計。

圖2 計算模型圖

圖3 發電機支架一階模態陣型

2 拓撲優化分析

2.1 拓撲優化理論

拓撲優化是一種常用的優化手段，其本質就是在給定的空間內通過某種方法尋找最優的材料分布。本文采用密度法[7]對結構進行拓撲優化。對模型設定的單元密度作為設計變量，材料的單元密度與結構材料有關，材料的單元密度在0～1之間連續取值。求解迭代結果中，當材料單元密度接近1表示該區域很重要，當材料單元密度接近0表示該區域材料可去除，最后通過拓撲方法可以盡可能使材料得到有效利用，在滿足目標前提下結構最輕。

在拓撲優化過程時，需提前定義設計變量、設計目標和設計約束，如下表達式：

式中，()為設計目標；()、()為約束條件；X為設計變量。

2.2 拓撲優化分析

拓撲優化分析之前需要設定優化和非優化區域，支架通過4個螺栓與發動機缸體連接，因此，安裝孔的位置、尺寸、大小都不能改變，設定為非優化區域，其余設定為優化區域。如圖4所示。

圖4 初始優化和非優化區域

以一階模態頻率為約束，體積分數最小為目標函數的拓撲優化數學模型表達式：

式中，為體積分數；為支架一階頻率；0為支架模態目標。

設定體積的上限為0.3，最終支架拓撲優化結果如圖5所示，和區域表示材料密度接近1，需保留；區域表示材料密度接近0，可刪除。拓撲優化結果可以很好地為支架工程師提供優化位置參考。

圖5 拓撲優化結果

由于拓撲優化結果只是一個理論結果，不能直接用于工程數據制作，同時考慮工藝和布置，最終的新發電價支架如圖6所示。

圖6 新發電機支架

圖7 新發電機支架一階模態陣型

對新支架重新進行網格劃分，進行模態仿真分析，模態分析結果顯示，發電機支架總成一階頻率為175.8 Hz，滿足設定的模態目標。如圖7所示。新支架質量為4.8 kg，原支架重量為6.0 kg，依據拓撲優化新設計出的支架減重1.2 kg，減重率達到20%。

3 結論

本文對發電機支架進行了拓撲優化分析，依據拓撲優化結果對支架重新設計，最終模態結果顯示提升支架頻率，一階頻率滿足NVH目標，同時支架減重20%，提升了產品競爭力。工程開發過程中運用拓撲優技術，不僅可以縮短零件的開發周期，還可以減少各種成本。本文的研究思路可以為其他零部件結構的優化設計提供參考。

[1] 曾攀.有限元分析及其運用[M].北京:清華大學出版社, 2014.

[2] 李嘉通,向宇,靳江濤,等.某車型空調壓縮機支架NVH性能分析與優化[J].機械設計與制造,2015(3):58-61.

[3] 亓宗磊,潘效龍.某柴油機發電機支架有限元分析及優化[J].內燃機及配件,2020(5):60-63.

[4] 周圍,李群明,高志偉,等.基于變密度法的送桿機構的運送支架拓撲優化設計[J].制造業自動化,2021(4): 113-116.

[5] LI B T,LIU H L,YANG Z H,et al.Stiffness Design of Plate/Shell Structures by Evolutionary Topology Opti- mization[J].Thin-Walled Structures,2009(14):232-250.

[6] 陳思穎.基于有限元法的某發電機支架仿真分析[J].汽車實用技術,2018,43(22):57-59.

[7] 林丹益.一種汽車發動機支架拓撲優化設計[J].機械設計與研究,2018,34(3):179-181.

Analysis and Optimization Design of Generator Bracket Based on Topology Method

TU Qing1,2, ZHANG Hongwei3, SHEN Yifang1,2

( 1.Jiangling Auto Company Limited, Nanchang 330052, China;2.Jiangxi Vehicle Noise and Vibration Key Laboratory, Nanchang 330052, China;3.School of Mechanical & Electrical Information, Baoji Vocational & Technical College, Baoji 721000, China )

The paper has a modal analysis of diesel generator bracket on the finite element method, and the topology optimization technology is used to redesign and optimize the bracket. The first-order frequency is the constraint condition and the minimum volume fraction is the goal of topology optimization analysis, redesign and analysis of bracket base on optimization results. Using the topology method to guide the bracket design can not only meets the target, but also achieves light weight. Topology optimization technology provides ideas for component structure optimization design, reducesthe time of research and development.

Generator bracket; Modal analysis; Topology optimization; Lightweight

U461.4；TH122

A

1671-7988(2023)11-106-04

涂晴（1989－），男，碩士，工程師，研究方向為整車NVH仿真分析及優化，E-mail:458192529@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.019