OptiStruct在油底壳NVH结构优化中的应用

吕老师

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关键字：OptiStruct  拓扑优化  形貌优化  油底壳  

本文以某动力总成系统中的油底壳为研究对象，通过Altair公司的HyperWorks系列软件中的拓扑优化及形貌优化工具，在开发前期得到油底壳的大致优化方向，最终实现对油底壳局部模态以及表面辐射声功率的优化，对指导产品的开发以及后期NVH风险的规避有着重要的借鉴意义。

1 概述

油底壳在发动机运行中除了起到机油散热的作用外，最主要是储存润滑油和密封整个机体的作用。油底壳作为薄壁件，存在多个大平面，很容易受到发动机发火激励，底部机油泵及平衡轴等各种激励的影响，是噪声的重要来源之一，其辐射噪声占总辐射噪声的25%左右。因此提高油底壳模态及对其结构进行合理优化，是降低内燃机辐射噪声的重要环节。

拓扑优化指在给定的设计区域内，通过寻求最优的材料分布，得到结构的最优拓扑布局，使得结构能够在满足约束条件的情形下，结构的某种性能指标达到最优。形貌优化则是针对面网格单元，通过使设计区域薄弱地方生成鼓包特征，以实现结构的局部优化。

2 有限元模型的建立

    本文以油底壳为设计对象，以一阶模态频率和表面振动水平为设计目标，首先评估在动总中的油底壳模态及表面振动水平。接着结合拓扑优化，形貌优化，工程经验，布置空间以及机油流动等综合因素得到优化后的油底壳结构，并与原状态进行对比效果。

2.1 网格划分

主要零部件油底壳均采用四面体体单元进行网格划分。结点数和单元数见表1。

表1 发动机主要部件的结点数和单元数

 

2.2 材料与属性

    计算中所使用的材料参数如下：

    油底壳的材料参数：

    弹性模量：71000MPa

    材料密度：2.7E-9T/mm3

    泊松比：0.33

    长度单位为：mm

    缸体的材料参数：

    弹性模量：71000MPa

    材料密度：2.7e-9T/mm3

    泊松比：0.3

    长度单位为：mm

    曲轴箱的材料参数：

    弹性模量：71000MPa

    材料密度：2.7e-9T/mm3

    泊松比：0.3

    长度单位为：mm

2.3 油底壳模态计算分析模型

计算分析采用以下模型，不考虑机油的影响，分别计算分析原状态和优化后状态的一阶模态频率。

 

图1 分析模型

2.4 油底壳拓扑优化分析模型

结构优化是一个在给定设计变量和约束条件下的求目标函数最优化的过程。目标函数、设计变量、约束函数为优化问题的三要素。在完成三要素的设定后，其优化求解过程由OptiStruct软件自动完成。通过对油底壳的安装模态分析，制定油底壳的优化问题策略。

 

图2 拓扑优化模型

2.5 油底壳形貌优化分析模型

通过拓扑优化，得到初版的加筋数模，该模型根据拓扑优化的加筋走向而增加部分主筋，其余的辅助筋随着项目的开发而逐渐完善。对该数模底部区域进行形貌优化以提高油底壳的一阶局部面模态。

 

图3 形貌优化模型

（1）设计区域：针对底部大平面设置成面网格，图2中的蓝色 区域为设计区域。

（2）约束条件：约束油底壳全部螺栓孔的六个自由度。

（3）设计变量：需要对生成的鼓包进行参数定义，包括最小宽度（Minimum Width），拔模角度（Draw Angle）为60°，拔模高度（Draw Height）。

（4）设计目标：目标为最大化油底壳1阶模态频率，尝试通过增加云状结构来提高油底壳的一阶局部模态频率。

3 计算结果图

3.1 优化后的油底壳模型

根据拓扑优化，形貌优化的结果获得油底壳大致的优化方向，结合工程经验以及内部机油泵及平衡轴等设计边界的限制，最终获得优化后的油底壳模型。在零部件开发过程中，不同类似版本的油底壳通过反复的计算验证以寻求最佳的设计方案。拓扑优化及形貌优化结果如图4、5所示。

 

图4 拓扑优化结果

 

图5 形貌优化结果

3.2 油底壳一阶局部模态对比

油底壳原状态一阶局部呼吸模态频率为867Hz，优化后一阶局部模态提高至1059Hz，相比原状态提高22%，如图6、7所示。

 

图6 原状态油底壳一阶模态

 

图7 优化状态油底壳一阶模态

3.3 油底壳表面辐射声功率对比

通过对优化前后的油底壳进行表面辐射声功率对比分析可知，优化后的油底壳，在500-3000Hz内除1008Hz及1148Hz外的其余频率段均有改善，最高可降低67%。新状态的油底壳声辐射水平整体优于原状态。

 

图8 原状态&优化状态油底壳表面辐射声功率对比

4 总结

本文以某油底壳的开发过程为例，结合OptiStruct的拓扑优化及形貌优化模块，在实现轻量化的同时，可有效缩短项目开发周期以及提高其NVH性能。大大降低了后期结构噪声传递以及局部共振和声辐射的风险，为项目开发带来了明显的收益。

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来源：汽车NVH云讲堂