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Altair2017技术大会论文集
基于模型缩减的发动机支架拓扑优化
TopologyOptimizationOfBracketBasedOn
ModelReduction
吕品楚中华石鹏张静
(北京汽车动力总成有限公司北京101106)
摘要:本文对某款发动机附件支架进行结构优化设计。首先对支架安装基础模型进行缩
减,然后基于缩减矩阵以及制造工艺需求,对支架进行拓扑优化设计,最终获得高性能、低
成本的零件设计方案。既保留了完整的系统结构获取精确设计,又减小计算量节约计算时间,
在工程开发中具有较高的应用价值。
关键词:矩阵缩减,拓扑优化,附件支架,发动机
Abstract:Thispapercarriesonthestructureoptimizationdesignofengineaccessory
bracket.Firstly,takereductiononbracketinstallationbasicmodel,thentaketopology
optimizationdesignforbracketbasedonreductionmatrixandmanufacturingprocess
requirements,finallygetoptimaldesignschemeofhighperformanceandlowcost.This
methodnotonlykeepsthewholesystemstructure,butalsosavesthecalculationtime,it
hashighapplicationvalueinengineeringdevelopment.
Keyword:matrixreduction,topologyoptimization,accessorybracket,engine
1前言
汽车发动机的附件(如发电机、空压机、转向泵等)较多,且位于发动机外围,各附件
的正常工作对发动机性能有很大影响。依据发动机设计的布置需求,发动机附件一般通过其
支架连接安装在发动机上,因此附件支架的设计是发动机设计开发的重要内容[1]。目前针对
降低零件制造成本及提高整车燃油经济性的设计开发要求,通过对零件进行结构优化设计,
可达到减重降本同时满足发动机开发性能的双重目的。
某款发动机的发电机支架在有限元分析时,发现模态较低,无法满足设计要求,决定采
用结构优化方法重新对支架进行设计。若忽略安装基础模型的影响,仅对支架优化分析,则
优化的支架不是满足发动机性能的最佳方案。本文首先采用“子结构法”对该发动机的发电
机支架的安装基础模型进行缩减,获得模型的刚度矩阵和质量矩阵,然后导入缩减矩阵,并
综合考虑制造工艺需求,对附件支架进行拓扑优化设计,最终对拓扑结果提取并重设计,获
得满足发动机性能要求的设计结构。该方法不仅大大降低了开发周期和成本,同时获得高性
能、轻量化的支架结构,在工程开发中具有较高的应用价值。
‐1‐
Altair2017技术大会论文集
2模型有限元分析
根据发电机的安装特点,有限元分析模型包含缸体、正时罩盖、简化发电机(确保发电
机质量及质心位置与实际相符)、发电机支架、油底壳等。对系统进行模态分析,一阶频率
207Hz,支架的原设计方案如图1所示,发电机支架重0.76Kg,模态分析结果如图2所示。
图1支架原设计方案图2原方案一阶频率振型图
3基础模型缩减
众所周知,对发动机附件支架进行有限元仿真时,完整的对附件系统进行分析才能得到
更准确的设计。然而优化计算是不断迭代寻优的过程,求解时间较长,因此在求解过程中,
既希望保留完整的系统结构获取精确设计,又希望减小计算量节约计算时间。
“子结构法”就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程,这个单一的矩阵单元称为
“超单元”,使用“子结构法”可以节约计算时间,在有限的计算资源基础上求解大规模问
题。比如静态缩减即把模型分为O集和A集(O集为缩减的集合,A集为保留的集合),形
成静态方程:
??????????
???
??????(1)?????????
假设P?为零,使用??求解??,得
?u????????????(2)
???????????????????(3)
将(3)代入(1)中,得缩聚振动方程,缩聚后的刚度矩阵表达式为:
????????????????????????????(4)
对发电机支架进行优化分析时,安装该支架的缸体、正时罩盖、油底壳等基础模型为支
架提供刚度,
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