基于HyperWorks的柴油机油底壳拓扑优化设计

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1 概述
    油底壳在柴油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。柴油机工作时，油底壳在整机影响下会产生复杂的振动，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，降低油底壳的振动和噪声是降低内燃机辐射噪声的重要环节。
    提高结构刚度是改善结构振动性能的有效措施，通过对结构的固有频率进行控制和调整，避免与外界激振力频率相等或相近，从而有效地降低结构的动力响应。在工程设计中，往往出现难以对多阶固有频率同时做出合适调整的难题。据此，本文基于美国澳汰尔公司的HyperWorks软件，建立以四面体单元为基本单元的油底壳有限元分析模型，提出了优化频率的动力学设计要求，对前几阶低阶自由模态的固有频率进行控制和调整。通过分析油底壳前5 阶固有频率及振型，利用Optistruct 模块对油底壳进行了移频和减重的多目标拓扑优化设计。
2 HyperWorks软件及变密度拓扑优化法简介
    HyperWorks 软件是一种应用广泛的有限元结构分析与优化软件，提供了优秀的前处理工具Hyper Mesh、用于实现结构优化设计的Optistruct技术以及全面而通用的CAE 后处理环境HyperView，集成了设计与分析所需的各种工具，在汽车、航空航天、重装备、国防以及石油天然气等行业得到了广泛使用。
    结构拓扑优化方法的主要思想是在给定的设计区域内寻求材料的最优分布问题。在优化过程中，给定的设计区域一般保持不变，而微结构的孔洞大小可以变化，如某一部分区域的微结构全部为孔洞，则这部分区域便被从设计区域上“移走”，从而形成一个大孔洞曰反之，如部分区域上微结构孔洞全部消失，则这部分区域上便组成“实在结构”。这样初始设计均匀分布在设计区域上的材料便重新分布，形成新的结构形式，得到结构在一定条件下的最优拓扑。通常使用的拓扑优化算法有均质法和变密度法，本文采用变密度法。
    变密度拓扑优化法是在设计区域设计了密度可变的虚拟材料，以单元的相对密度籽作为设计变量，籽的取值在0~1 之间。以ρ= 0表示该处是空洞，不需要填充材料：ρ= 1表示该处是实体，需要保留材料。优化中出现的介于0和1中间密度材料，通过惩罚因子进行处理，尽量缩小其区域范围，在最终的优化结果中，设置相对密度的一个阈值，在密度值小于阈值处显示为无材料区域，而密度值大于或者等于阈值的区域显示为有材料区域。
3 油底壳有限元模型建立及模态分析
    基于HyperWorks 的有限元模型建立流程如图1所示。

图1 HyperWorks有限元分析流程

3.1 油底壳模型的导入、网格划分及质量检查
    本文所研究的是一台90°夹角V8车用柴油机，四冲程，增压中冷，额定转速为2400r/min，缸径和行程分别为130mm和145mm。采用I-DEAS软件对该柴油机的油底壳建立几何模型，利用I-DEAS和HyperWorks软件间的接口，将油底壳几何模型导入。由于模型中圆孔、倒圆角的存在会影响网格划分质量，故对模型进行了合理的简化。利用HyperWorks中几何清理功能，将导入模型中存在的自由边、重复面(边)、缺面等错误进行修改和清理。油底壳的几何模型如图2所示。

图2 油底壳几何模型图

    采用单元尺寸1~5mm的四面体单元对集合模型进行网格自动划分，对模型细小处及突变面使用网格加密和单元过度功能，网格划分结果得到270438个单元。对于油底壳的有限元模型中质量差的单元，使用HyperWorks中网格质量检查功能，对所有单元的长宽比、塌陷值、雅可比值等特征进行检查，不合格单元予以修正。油底壳有限元模型如图3所示。

图3 油底壳有限元模型

3.2 油底壳约束模态分析
    由于油底壳与柴油机机体之间采用螺栓连接，故在模态分析中，在油底壳上端与机体连接处施加全自由度约束，利用Optistruct对油底壳的有限元模型进行约束模态计算，得到油底壳前5 阶固有频率渊注院由于对油底壳约束进行了简化处理，即采用全自由度约束，而且采用四面体四节点单元进行网格划分，故计算出的固有频率值会偏高冤。前5阶固有频率及振型描述见表1。

表1 油底壳前5阶固有频率及振型

    该发动机的第1 阶次激振频率为160Hz，由于结构进行了部分简化，故油底壳前4阶固有频率都大于发动机的第1阶激振频率，第5阶固有频率由于迭代计算的原因，出现了频率值较低的现象。