基于optistruct的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)閥支架曾

1、2007 Altair 大中戶技術(shù)大會(huì)集基于 OptiStruc的發(fā)動(dòng)氣動(dòng)康第車集團(tuán)公司- 1 -2007 Altair 大中 區(qū)用戶技術(shù)大會(huì)集基于 Opt Struct發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)閥支架頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)Eigen alue O tiization DesigofExh ust-b akBracket BedO tiStruct曾團(tuán)公司技術(shù)中心)摘要:拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中最熱門的，已應(yīng)用于求解結(jié)構(gòu)的剛度最大化優(yōu)化問題。在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析方面，頻率拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在理論上的研究已經(jīng)較為成熟，但由于工程問題的復(fù)雜性，動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)仍較少應(yīng)用于實(shí)際工程分析。以某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)閥支架為例，闡述了利用

2、 OptiStruct中的動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在工程上的應(yīng)用。該支架在使用過模型，加以工藝由于共振產(chǎn)生斷裂，根據(jù)有限元分析和模態(tài)分析結(jié)果，建立合理的拓?fù)鋬?yōu)化約束和模態(tài)追蹤，在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量不增加的前提下，利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)固有頻率的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的支架不僅可以避開原系統(tǒng)的共振區(qū)域，降低支架重量，而且可以簡(jiǎn)化支架的工藝，一方面降低了生產(chǎn)成本，另一方面還少了沖壓形成褶皺的風(fēng)優(yōu)化設(shè)拓 優(yōu)化固有頻率發(fā)動(dòng)機(jī)支架Abst actThe top logy opti iz tiotechni ue is he hottest m thod in structu eo ti alesig , an

3、d it has been su ce sfullapplied o solve stif ness max mi ati nproblem. In the tructura dy amic p ob em, the th ory of e genvalue top log opt mization as been d velopedaturely However dynamic top logy o ti izatio met od is ra elyus d to solvectual en ineerinprob ems beca se hese p obles are al ayver

4、y pl in this p per toineering ba ed ocomplex llustratOPTISTAn exh us -b ake br ck t of n ng ne is t ke as n exadynamic top logy optimi at on app ication inctual enUC . This bracket is broken be au e of r so ancin u in . Othbasi ofFEMnd mod l analy is of t e bracket sy tem, a eason bloptim m mod l is

5、 buil ,which consi ers manufac uri g co straints an mo e control O the co dit on of kee ingthe str cture w ight, theracket eigen al e optimi at on is re lized by top logyoptim zation echniqu . Opti al bra ketesign is n t o ly apart rom the resonance- 2 -2007 Altair 大區(qū)用戶技術(shù) 會(huì)r gioand lig tens the ori

6、inal bracket, b t a so simplifies the man factu ing co rsewhich redu e th ma ufa ture co t and the risk f rape form ion in puning.K y words:Optim l design，Topology optimization，F(xiàn)reque， ng ne，Bracket1 前言由于設(shè)計(jì)變量類型的不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以分為由易到難的四個(gè)不同層次優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)洳季謨?yōu)化。目前優(yōu)化的理論和已比較成熟，拓?fù)鋬?yōu)化理論和算法還處于有待完善的階段。但是在工程應(yīng)用中，拓?fù)?/p>

7、優(yōu)化可以提供概念性設(shè)計(jì)方案，取得的效益比優(yōu)化、形狀優(yōu)化更大，因此，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)工程設(shè)計(jì)更具吸引力，已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。與優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比，很少有人研究振動(dòng)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。這是因?yàn)?，設(shè)計(jì)在零部件的初始設(shè)計(jì)階段沒有任何的幾何（狀，并結(jié)構(gòu)形狀、等），卻要在指定的初始條件和設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，輸出結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫蜗到y(tǒng)的固有頻率，使其遠(yuǎn)離共振區(qū)，這是相當(dāng)?shù)墓ぷ?。眾所周知，最早、最重要的拓?fù)鋬?yōu)化研究起始于 1904 的 Michell1桁架理論。經(jīng)過Prager 和 Rozvany2，Zhou 等3,4將 Michell 桁架理論發(fā)展個(gè)世紀(jì)的空白之后，的拓?fù)洳季謨?yōu)化理論。盡管 Olhoff

8、 和 Rozvany 等5已經(jīng)進(jìn)行了平板結(jié)構(gòu)的頻率優(yōu)化研究，上世紀(jì)九十年代也有大量學(xué) 在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)研究，以 MA KIKUCHI 等6為代表的學(xué)者在拓?fù)鋭?dòng)態(tài)優(yōu)化理論研究方面做出了較大的貢獻(xiàn)，但很少有關(guān)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的工程拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)例問世。本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣制動(dòng)閥支架為例，在給定的設(shè)計(jì)空間和邊界條件下，使支架系統(tǒng)沿發(fā)動(dòng) 橫向 1階振動(dòng)固有頻率必須大于 110 Hz，并化的支架重量不能比原有支架重。2 支系統(tǒng)的有限元分和模態(tài)分析1.1 力學(xué)模型的建立排氣制動(dòng)閥支架主要起到支撐發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的作用，在最初的設(shè)計(jì)中，因?yàn)闆]有考慮發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)其工作性能的影響，導(dǎo)致支架損壞。本文根據(jù)支架所受載荷實(shí)

9、際情況，對(duì)原有支架系統(tǒng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算，模型見圖 1。在支架側(cè)板發(fā)動(dòng)機(jī)連接處三個(gè)螺栓約束 123 456度，排和動(dòng)機(jī)連接處十二個(gè)螺栓約束123 456心處度，支架頂部的渦輪增壓器采用質(zhì)量單元（CON 2）簡(jiǎn)化，在渦輪增壓器質(zhì)質(zhì)量元和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0圖 1系統(tǒng)模態(tài)分析有限元模型- 3 -2007 Altair 大區(qū)用戶技術(shù)大會(huì)集支架強(qiáng)度計(jì)算和疲勞安全系數(shù)分析，模型見圖 2。約束：在支架側(cè)板與動(dòng)機(jī)連接處三個(gè)螺栓孔分別約束 123 456度。載荷：第一工況：在支架頂部渦輪增壓器質(zhì)心處（CO M2）加上沿氣缸軸線方向向下 600 N 的力，同時(shí)，排由于高溫廢氣的溫度影響，沿發(fā)動(dòng)

10、機(jī)曲軸軸線方向有一定的升長(zhǎng)，所以，在渦輪增壓器質(zhì)心點(diǎn)加上沿曲軸軸線方向向外的強(qiáng)制位移 2 mm；第二工況：在支架頂部連接的質(zhì)心處加沿氣缸軸線方向向上 200 N制位mm。的力，同時(shí)在渦輪增壓器質(zhì)心處加沿圖 2支架強(qiáng)度分析有限模型1.2 支架損壞的分析經(jīng)過模態(tài)分析，支架系統(tǒng)沿發(fā)機(jī)橫向 1 階振動(dòng)固有頻率為 103.7 Hz，支架振型如圖 3沿發(fā)動(dòng)機(jī)橫向 1 階振動(dòng)時(shí)支架所示。其中灰色結(jié)構(gòu)為沒有發(fā)生振動(dòng)的形態(tài)，深色結(jié)構(gòu)的振型。而該發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)下要求支架系統(tǒng)固有頻率必須在 110 Hz 以上，所以可以初步支架損壞主要是由于共振造成的。為進(jìn)一步明確支架的損壞，進(jìn)行了支架的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞安全系數(shù)分析，其

11、點(diǎn)疲勞安全系數(shù)云圖如圖 4 所示，從圖中可以看出，支架的最小安全系數(shù)為 1.267，已經(jīng)大于人們默認(rèn)的結(jié)構(gòu)安全最小閥值 1，所以支架在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下已經(jīng)滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度需求，導(dǎo)致支架損壞。根據(jù)上述結(jié)果可知，為避免支架損壞，只需要在滿足現(xiàn)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基階固率。1.267階固率的振型圖 4支架疲勞安全系數(shù)分布云圖- 4 -2007 Altair 大區(qū)用戶技術(shù)大會(huì)2 支架的頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1 頻率拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還與靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)完全不同的難題。首先，動(dòng)態(tài)的目標(biāo)函數(shù)不像靜態(tài)目標(biāo)函數(shù)那么。例如，在頻率拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)過，由于各階模態(tài)振型容易切換，從而導(dǎo)致以固有頻率為目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)不

12、再光滑。第二，動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，目標(biāo)函數(shù)的靈敏度分析可能是非連續(xù)的。第三，如果動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)成為一個(gè)非凸性求解問題，適用于靜態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的迭代原理在此時(shí)就失去作用，導(dǎo)致迭代終止，優(yōu)化無法進(jìn)行。由于這些，動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在工程實(shí)際上的應(yīng)用受到了較大的限制。本文在進(jìn)行支架的頻率拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮上述三點(diǎn)，建立了合理的優(yōu)化模型，并且采用模態(tài)追蹤免模態(tài)振型之間的相互切換，避2.2 支架的頻率拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在進(jìn)行支架的拓?fù)鋬?yōu)化之前，首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)整體布局，確定支架的最大設(shè)計(jì)空間見圖5。為避免上述動(dòng)態(tài)優(yōu)化中出現(xiàn)的數(shù)值求解問題，在建立優(yōu)化有限原模型時(shí)，支架結(jié)構(gòu)全部采用六面體實(shí)體單元建立，并單元的最小度

13、，盡量避免優(yōu)化過出現(xiàn)的數(shù)值震蕩。另外，本文采用模態(tài)追蹤切換。經(jīng)過拓?fù)?，?qiáng)制每一階固有頻率振型不變，避免了模態(tài)振型之間的相互代，結(jié)果如圖 6 所示。圖 6支架頻率拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果間本文在不考慮其生產(chǎn)難易度的基礎(chǔ)上，直接將優(yōu)化結(jié)果文件轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)，通過相應(yīng)的模態(tài)分析和靜、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沿發(fā)機(jī)橫向 1 階振動(dòng)固有頻率為 113.8 Hz，達(dá)到避開發(fā)動(dòng)機(jī)共振頻率區(qū)域的要求，并且具有良靜、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度性能，沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是，在將優(yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際時(shí)，應(yīng)該考慮在成批量生產(chǎn)過的難易度和成本，這樣才能使優(yōu)化結(jié)果達(dá)到工作性能最好，性能最佳的目的。本文根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和工藝要求，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，手工改

14、進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后確定該支架的優(yōu)化結(jié)- -2007 Altair 大區(qū)用戶技術(shù)大會(huì)集構(gòu)為圖 7 所示。經(jīng)過相同條件下的模態(tài)分析和靜、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析驗(yàn)證，該支架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沿發(fā)機(jī)橫向 1 階振動(dòng)固有頻率為 111.5 Hz，其振型如圖 8 所示，該頻率已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)要求；優(yōu)化支架的疲勞安全系數(shù)分析云圖如圖 9 所示。從圖 9 中可以看出，支架疲勞安全系數(shù)都大于 2，所以支架絕對(duì)安全可靠；通過質(zhì)量分析對(duì)25.2%。支架支架模型圖統(tǒng)一有頻率的振型圖化支 的疲勞安全系數(shù)分布云圖3 結(jié)論根據(jù)支架拓?fù)鋬?yōu)化點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：有限元分析和模態(tài)分析數(shù)據(jù)比，優(yōu)后的支架具有以下幾（1）后的支架地避開了系統(tǒng)的共振頻率區(qū)域，整個(gè)支架受力均

15、勻，沒有應(yīng)力集中部位解決了有支架斷裂的工程實(shí)際問題；（2）后的支架簡(jiǎn)化了原有支架的過形成彎角褶皺的風(fēng)險(xiǎn)。工藝，一方面降低了生產(chǎn)成本，另一方面 少了沖（3）優(yōu)化后架比原有支架減少 25.2%重量。本文發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)閥支架頻率拓?fù)鋬?yōu)化的例子展示了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是一個(gè)非常有用的工具，讓設(shè)計(jì)師可以根據(jù)的性能要求，在指定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，另外一方面，可以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性和質(zhì)量，并找到一種全新的設(shè)計(jì)方案。- 6 -2007 Altair 大用戶技術(shù) 會(huì)4 參 文ichell AM. The li its of e on my of material in fr me stru tures J

16、. P ilosag.,190 , 6 ) : 58 5 7.P A ER W, ROZV NY G I N. Optimal layou o grilla esJ. J. St u t.e h., 1977 5) : 265 2 42 R zv nyI, Zhou M. he C C lgorithm, Par : Cross-se ti n optimiza ion osizi gJ. Comp. Meth. p l. Me h. Engr . , 1991, 89( 3) : 28 308Z ou M, ozv ny G I N. he C C lgorithm, Pa t : Topolo ica , geometric l and generalized shap opti izati nJ. Comp. Meth. p l. Me h. Engr . , 1991, 9(1 ) : 30 3 6.O h ff N, Rozv ny G I N Optim l G illag layout for given nat ra fre uency . J.45Eng.ech., S E, 1982, 10