吕品基于模型缩减的发动机支架拓扑优化.docx

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。

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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，