基于OptiStruct軟件的某發(fā)動機(jī)空濾器支架拓?fù)鋬?yōu)化分析

時培偉，袁帥， 亓宗磊 ，郭彬

(濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、社會的進(jìn)步，電力能源發(fā)展迅速，人們生活得到極大改善。但在我國某些山區(qū)、世界其他貧窮落后國家，仍面臨電力危機(jī)，因此陸用發(fā)電機(jī)組是其主要電力來源。發(fā)動機(jī)空濾器支架作為陸用發(fā)電機(jī)組的基本裝置，已經(jīng)關(guān)系到發(fā)動機(jī)的可靠性、安全性。其中，支架模態(tài)是發(fā)動機(jī)NVH性能的重要參數(shù)，設(shè)計合理的發(fā)動機(jī)支架一階頻率，對于提高支架疲勞壽命、NVH性能，保證陸用發(fā)電機(jī)組強(qiáng)度、可靠性、安全性至關(guān)重要。因此，在定轉(zhuǎn)速下，要盡量避開發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速下主激勵危險頻率帶。

基于某發(fā)動機(jī)空濾器支架一階模態(tài)不合格問題，利用OptiStruct軟件對空濾器支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到了空濾器支架肋板結(jié)構(gòu)布置最優(yōu)解,并對前后一階模態(tài)頻率進(jìn)行對比。結(jié)果表明：在支架質(zhì)量無明顯變化的情況下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置將支架一階模態(tài)頻率提高67%，優(yōu)化效果明顯。研究成果為發(fā)動機(jī)支架類模態(tài)優(yōu)化問題提供了可借鑒的方法。

1 有限元模型建立與分析

1.1 空濾器支架有限元模型建立

某發(fā)動機(jī)廠新配套陸用發(fā)電機(jī)組、發(fā)動機(jī)空濾支架，校核計算其模態(tài)是否滿足設(shè)計要求，為設(shè)計提供參考依據(jù)?？諡V器支架有限元模型如圖1所示，部件材料參數(shù)見表1。

圖1 空濾器支架有限元模型

表1 部件材料參數(shù)

1.2 空濾器支架模態(tài)分析

對所建立的有限元模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，該模型飛輪殼與支架連接，飛輪殼建立邊界條件約束，為消除空氣空濾器塑料材料引起的局部模態(tài)，將濾清器簡化為一個質(zhì)心點(diǎn)。

有限元分析邊界定義完成后，使用OptiStruct軟件對支架進(jìn)行求解,得到空濾器支架前三階陣型如圖2所示。

圖2 空濾器支架前三階陣型

此陸用發(fā)電機(jī)組搭載六缸四沖程發(fā)動機(jī)，基于發(fā)動機(jī)工作機(jī)制，由發(fā)動機(jī)引起的諧波階次頻率計算公式為：

(1)

式中：為發(fā)動機(jī)諧波階次頻率，Hz；

為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;

為發(fā)動機(jī)諧波階次。

額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min下的發(fā)動機(jī)主激勵頻率為75 Hz，正好耦合于空濾支架一階模態(tài)為75.6 Hz，兩者會產(chǎn)生共振。因此，需要對空濾器支架進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計，且避開發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min下所對應(yīng)的危險頻率帶60～90 Hz。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是一種在預(yù)定的設(shè)計空間中探尋最佳設(shè)計方案的概念性設(shè)計方法。美國Altair公司開發(fā)的OptiStruct軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化采用了通用的變密度法，其基本思路是人為引入一種假想的密度可變材料，優(yōu)化時以材料密度為設(shè)計變量，并引入懲罰因子，把結(jié)構(gòu)剛度和材料密度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)換為材料的最優(yōu)空間分布問題。

2.2 優(yōu)化空間參數(shù)設(shè)定

濾清器支架的結(jié)構(gòu)性能是整機(jī)性能的重要載體。在支架概念設(shè)計階段，綜合考慮支架位移較大部位填充材料，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，找到有效的載荷傳遞路徑，提高支架性能和結(jié)構(gòu)效率。

拓?fù)鋬?yōu)化空間如圖3所示。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化空間

拓?fù)鋬?yōu)化模型如圖4所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化模型

飛輪殼設(shè)置邊界約束，約束了所有自由度。以濾清器支架為設(shè)計空間建立Psolid設(shè)計變量，創(chuàng)建體積分?jǐn)?shù)、頻率兩個設(shè)計變量，最后將0.6倍的支架體積分?jǐn)?shù)作為優(yōu)化約束邊界，將支架最大頻率作為優(yōu)化目標(biāo)。

將上述優(yōu)化設(shè)置完成后，使用OptiStruct軟件進(jìn)行求解，得到其密度分布云圖，如圖5所示。

圖5 密度分布云圖

由圖5可以看出，設(shè)計空間內(nèi)側(cè)中間部分、支架下部兩側(cè)單元密度較小，可以將此處材料去除以減輕質(zhì)量。參考優(yōu)化后的單元密度云圖，并兼顧工藝以及制造成本，重新設(shè)計集合模型，優(yōu)化后空濾器支架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后空濾器支架結(jié)構(gòu)

為驗證優(yōu)化結(jié)果有效性，對優(yōu)化后的空濾器支架進(jìn)行有限元分析。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析結(jié)果

為驗證優(yōu)化結(jié)果的有效性，對優(yōu)化后的空濾器支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其有限元模型如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后空濾器支架有限元模型

使用OptiStruct軟件進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化后空濾器支架前三階陣型如圖8至圖10所示。

圖8 優(yōu)化后空濾器支架一階陣型

圖9 優(yōu)化后空濾器支架二階陣型

圖10 優(yōu)化后空濾器支架三階陣型

對空濾器支架優(yōu)化前后的一階頻率及質(zhì)量進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后主要指標(biāo)對比結(jié)果

由表2可見，優(yōu)化后空濾器支架一階模態(tài)頻率提高67.1%，質(zhì)量下降0.8%，一階模態(tài)頻率提升明顯，高于發(fā)動機(jī)主激勵頻率帶最大頻率90 Hz，滿足設(shè)計要求。

由此確定對空濾器支架的優(yōu)化措施是有效的，提高了材料的利用率，優(yōu)化了力的傳遞路徑，大大縮短了項目開發(fā)周期，節(jié)約了大量費(fèi)用。

3 結(jié)論

文中首先利用Altair公司的HyperMesh軟件建立了空濾器支架有限元模型，然后利用OptiStruct軟件對空濾器支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析，優(yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)擁有更好的NVH性能，第一階固有頻率得到了顯著提高并滿足設(shè)計要求。

OptiStruct軟件強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計功能，不僅提高了客戶的設(shè)計效率，而且為設(shè)計人員提供了更多科學(xué)有效的優(yōu)化方案，極大地縮短項目開發(fā)周期、減輕了優(yōu)化設(shè)計的復(fù)雜程度，提升了產(chǎn)品在市場中的競爭力，由此更能體現(xiàn)出OptiStruct軟件的工程應(yīng)用價值。