基于HyperWorks的柴油機油底殼拓撲優化設計

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1 概述
    油底殼在柴油機運行中除了起到機油散熱的作用外，最主要是儲存潤滑油和密封整個機體的作用。柴油機工作時，油底殼在整機影響下會產生復雜的振動，是噪聲的重要來源之一，其輻射噪聲占總輻射噪聲的25%左右。因此，降低油底殼的振動和噪聲是降低內燃機輻射噪聲的重要環節。
    提高結構剛度是改善結構振動性能的有效措施，通過對結構的固有頻率進行控制和調整，避免與外界激振力頻率相等或相近，從而有效地降低結構的動力響應。在工程設計中，往往出現難以對多階固有頻率同時做出合適調整的難題。據此，本文基于美國澳汰爾公司的HyperWorks軟件，建立以四面體單元為基本單元的油底殼有限元分析模型，提出了優化頻率的動力學設計要求，對前幾階低階自由模態的固有頻率進行控制和調整。通過分析油底殼前5 階固有頻率及振型，利用Optistruct 模塊對油底殼進行了移頻和減重的多目標拓撲優化設計。
2 HyperWorks軟件及變密度拓撲優化法簡介
    HyperWorks 軟件是一種應用廣泛的有限元結構分析與優化軟件，提供了優秀的前處理工具Hyper Mesh、用于實現結構優化設計的Optistruct技術以及全面而通用的CAE 后處理環境HyperView，集成了設計與分析所需的各種工具，在汽車、航空航天、重裝備、國防以及石油天然氣等行業得到了廣泛使用。
    結構拓撲優化方法的主要思想是在給定的設計區域內尋求材料的最優分布問題。在優化過程中，給定的設計區域一般保持不變，而微結構的孔洞大小可以變化，如某一部分區域的微結構全部為孔洞，則這部分區域便被從設計區域上“移走”，從而形成一個大孔洞曰反之，如部分區域上微結構孔洞全部消失，則這部分區域上便組成“實在結構”。這樣初始設計均勻分布在設計區域上的材料便重新分布，形成新的結構形式，得到結構在一定條件下的最優拓撲。通常使用的拓撲優化算法有均質法和變密度法，本文采用變密度法。
    變密度拓撲優化法是在設計區域設計了密度可變的虛擬材料，以單元的相對密度籽作為設計變量，籽的取值在0~1 之間。以ρ= 0表示該處是空洞，不需要填充材料：ρ= 1表示該處是實體，需要保留材料。優化中出現的介于0和1中間密度材料，通過懲罰因子進行處理，盡量縮小其區域范圍，在最終的優化結果中，設置相對密度的一個閾值，在密度值小于閾值處顯示為無材料區域，而密度值大于或者等于閾值的區域顯示為有材料區域。
3 油底殼有限元模型建立及模態分析
    基于HyperWorks 的有限元模型建立流程如圖1所示。

圖1 HyperWorks有限元分析流程

3.1 油底殼模型的導入、網格劃分及質量檢查
    本文所研究的是一臺90°夾角V8車用柴油機，四沖程，增壓中冷，額定轉速為2400r/min，缸徑和行程分別為130mm和145mm。采用I-DEAS軟件對該柴油機的油底殼建立幾何模型，利用I-DEAS和HyperWorks軟件間的接口，將油底殼幾何模型導入。由于模型中圓孔、倒圓角的存在會影響網格劃分質量，故對模型進行了合理的簡化。利用HyperWorks中幾何清理功能，將導入模型中存在的自由邊、重復面(邊)、缺面等錯誤進行修改和清理。油底殼的幾何模型如圖2所示。

圖2 油底殼幾何模型圖

    采用單元尺寸1~5mm的四面體單元對集合模型進行網格自動劃分，對模型細小處及突變面使用網格加密和單元過度功能，網格劃分結果得到270438個單元。對于油底殼的有限元模型中質量差的單元，使用HyperWorks中網格質量檢查功能，對所有單元的長寬比、塌陷值、雅可比值等特征進行檢查，不合格單元予以修正。油底殼有限元模型如圖3所示。

圖3 油底殼有限元模型

3.2 油底殼約束模態分析
    由于油底殼與柴油機機體之間采用螺栓連接，故在模態分析中，在油底殼上端與機體連接處施加全自由度約束，利用Optistruct對油底殼的有限元模型進行約束模態計算，得到油底殼前5 階固有頻率淵注院由于對油底殼約束進行了簡化處理，即采用全自由度約束，而且采用四面體四節點單元進行網格劃分，故計算出的固有頻率值會偏高冤。前5階固有頻率及振型描述見表1。

表1 油底殼前5階固有頻率及振型

    該發動機的第1 階次激振頻率為160Hz，由于結構進行了部分簡化，故油底殼前4階固有頻率都大于發動機的第1階激振頻率，第5階固有頻率由于迭代計算的原因，出現了頻率值較低的現象。