基于HyperWorks的柴油机油底壳有限元建模和结构优化

基于HyperWorks的柴油机油底壳有限元建模和结构优化

0 引言

在柴油机的诸多零部件中，油底壳的面积大且由薄钢板制成，在激振力作用下会产生比较大的振动，因此降低油底壳的振动和噪声是降低内燃机辐射噪声和总体噪声的重要环节。

HyperWorks为美国澳汰尔(Altair)公司的有限元结构分析与优化软件，包括MotionView、HyperGraph、HyperForm、HyperOpt、Optistruct、HyperMesh等多个功能模块，其中HyperMesh为前后处理器，OptiStuct为结构分析和优化工具，内含有限元求解器。

本文以4100QB柴油机油底壳为研究对象，利用Hypermesh建立以三角形壳单元和四边形壳单元为基本单元的油底壳有限元分析模型，分析了该车架的前10阶固有频率及振型，然后对去筋后的油底壳进行形貌优化，对压痕筋进行优化设计。

1 油底壳有限元模型的建立

基于HyperWorks的有限元建模流程如图l所示。对于油底壳的建模主要分为3步。

1.1 油底壳几何模型的导入、重构及修整

采用PRO/E建立油底壳几何模型如图2所示，并严格按实物尺寸设计。利用HyperWorks提供的PRO/E接口，将油底壳的几何模型导入HyperMesh中。 由于油底壳属薄壁零件，导入的PRO/E模型需要利用Geom面板(几何面板)中的MidSurface功能对其进行中面的抽取。抽取的中面存在缝隙、重叠、错位等缺陷，需要利用Geometry Cleanup(几何清理)功能消除以合并自有边，然后消除不必要的细节，这可以提高整个划分网格的速度和质量，减少计算误差。

图1 基于HyperWorks的有限元建模流程

图2 油底壳的几何模型 1.2 油底壳几何模型的网格划分

几何清理工作做完以后，就可以进行网格的划分。利用HyperMesh中2D面板中的automesh功能，定义单元类型为mixed单元。Mixed单元为3节点和4节点SHELL单元的混合体单元，但是在划分中以4节点SHELL单元为主，一般3节点单元占总单元的比例不超过5.4％。为了在优化过程中压痕筋能够得到更精确分布，定义单元大小为0.8-2.5mm，共产生65916个节点和66267个单元如图3所示。

图3 4100QB柴油机油底壳的有限元模型

1.3 有限元模型单元的质量检查

网格划分完后须进行单元质量检查，HyperMesh软件可自动找出错误单元和质量差的单元，这些单元在计算和优化时会产生错误，使计算或程序不能继续或得出错误结果。检查的内容包括：单元最小尺寸、单元最大长度、长宽比、四边形最大角、四边形最小角、三角形最大角、三角形最小角、对角线余角、雅可比和三角形占所有单元的百分比。选择其中一项后，不合格的单元会以红色显示，质量差的单元会以黄色显示，质量较好的单元则以透明显示。HyperMesh对检查出的有颜色的单元提供了强大的质量修复功能，包括：place node(移动节点)、swap ease(交换边界)、node

optimize(节点优化)和element optimize(单元优化)功能。 2 油底壳有限元模型的自由模态分析

利用HyperWorks的Optistruct模块对油底壳的有限元模型进行自由模态计算，得到的油底壳前10阶固有频率及振型描述见表1，其振型图略。

3 油底壳压痕筋的结构优化

形貌优化可以用来设计薄壁结构的强化压痕以满足强度、频率等要求，但形貌优化对体积函数不敏感，因此一般不把体积函数作为目标函数或约束函数。设

计优化步骤只需定义一个或多个设计区域、装饰条的最大深度和拉伸角。同时考虑到加工性，Optistruct还提供了各种压痕成型方式。其优化流程如图4所示。. 3.1 有限元模型的重建

对油底壳进行形貌优化首先需要对油底壳的有限元模型进行去压痕筋处理，然后将去筋的油底壳模型按照前文所述的方法重新建立有限元模型。 3.2 定义设计变量、优化目标、约束函数

将去筋油底壳有限元模型分为8个区域，并将其中6个区域定义为设计变量包括：底板、侧板(2个)、后板、前隔板(图3最左侧加筋处)和底孔。其中底孔加筋方式设定为Radial(2-D)(沿孔环形加筋)、最大筋高2.5mm、拔模角600、最小筋宽5mm，其他5个设计变量加筋方式设定为Planar(沿指定方向纵向加筋)、最大筋高8mm、拔模角600、最小筋宽5mm。

考虑到一阶振型主要由于与机体连接的边沿造成，因此第一阶频率优化空间很小，在优化过程中将其最大化定义优化目标。

图4 优化计算流程

本文对油底壳结构优化的主要目的在于提高第二阶一第十阶固有频率，而在具体操作的过程中将原机对应固有频率的1.2倍作为优化的约束函数，另外本文将原机体积提高1.5％作为体积约束函数。 3.3 优化结果

经过13次迭代计算后结果收敛，得到优化过程如图5所示。优化结果如图6所示，其中浅色区域为优化后加筋的区域。可以看出多数筋宽都有所增加，尤其以前侧板与后板筋宽最大，而地板和侧板的筋宽基本相同。优化结果与原油底壳对比如表2所示。

图5 油底壳前10阶固有频率迭代过程

图6 油底壳优化结果

表2 油底壳优化结果与原机对比 4 结论

从优化结果来看，油底壳的第二阶到第九阶固有频率都有不同程度的提高，平均提高20％以上，而体积只增加了1％，达到了很好的优化效果。

本文用Optistruct软件的形貌优化功能实现了对油底壳压痕筋的重新布局，使其固有频率有了很大的提高，结果说明了不同压痕筋的布置对于薄壁件固

有频率影响是非常明显的。形貌优化在柴油机油底壳结构优化中的应用，即节省了设计的时间，又提高了优化的效果，并且给其他薄壁件的结构优化设计提供了方法上的借鉴。

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