基于optistruct的发动机排气制动阀支架曾

1、2007 Altair 大中户技术大会集基于 OptiStruc的发动气动康第车集团公司- 1 -2007 Altair 大中 区用户技术大会集基于 Opt Struct发动机排气制动阀支架频率优化设计Eigen alue O tiization DesigofExh ust-b akBracket BedO tiStruct曾团公司技术中心)摘要:拓扑优化技术作为结构优化设计中最热门的，已应用于求解结构的刚度最大化优化问题。在结构动态分析方面，频率拓扑优化设计在理论上的研究已经较为成熟，但由于工程问题的复杂性，动态拓扑优化技术仍较少应用于实际工程分析。以某发动机排气制动阀支架为例，阐述了利用

2、 OptiStruct中的动态拓扑优化技术在工程上的应用。该支架在使用过模型，加以工艺由于共振产生断裂，根据有限元分析和模态分析结果，建立合理的拓扑优化约束和模态追踪，在保证结构质量不增加的前提下，利用拓扑优化技术实现了发动机排气系统固有频率的优化设计。优化后的支架不仅可以避开原系统的共振区域，降低支架重量，而且可以简化支架的工艺，一方面降低了生产成本，另一方面还少了冲压形成褶皱的风优化设拓 优化固有频率发动机支架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 大区用户技术 会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，Freque， ng ne，Bracket1 前言由于设计变量类型的不同，结构优化设计可以分为由易到难的四个不同层次优化、形状优化、形貌优化和拓扑布局优化。目前优化的理论和已比较成熟，拓扑优化理论和算法还处于有待完善的阶段。但是在工程应用中，拓扑

7、优化可以提供概念性设计方案，取得的效益比优化、形状优化更大，因此，拓扑优化技术对工程设计更具吸引力，已经成为当今结构优化设计研究的一个热点。与优化和形状优化相比，很少有人研究振动结构的拓扑优化设计。这是因为，设计在零部件的初始设计阶段没有任何的几何（状，并结构形状、等），却要在指定的初始条件和设计区域内，输出结构的拓扑形系统的固有频率，使其远离共振区，这是相当的工作。众所周知，最早、最重要的拓扑优化研究起始于 1904 的 Michell1桁架理论。经过Prager 和 Rozvany2，Zhou 等3,4将 Michell 桁架理论发展个世纪的空白之后，的拓扑布局优化理论。尽管 Olhoff

8、 和 Rozvany 等5已经进行了平板结构的频率优化研究，上世纪九十年代也有大量学 在前人基础上进行了改进研究，以 MA KIKUCHI 等6为代表的学者在拓扑动态优化理论研究方面做出了较大的贡献，但很少有关振动结构的工程拓扑优化实例问世。本文以某发动机的排气制动阀支架为例，在给定的设计空间和边界条件下，使支架系统沿发动 横向 1阶振动固有频率必须大于 110 Hz，并化的支架重量不能比原有支架重。2 支系统的有限元分和模态分析1.1 力学模型的建立排气制动阀支架主要起到支撑发动机涡轮增压器的作用，在最初的设计中，因为没有考虑发动机振动对其工作性能的影响，导致支架损坏。本文根据支架所受载荷实

9、际情况，对原有支架系统进行了静力学分析和模态分析。系统模态计算，模型见图 1。在支架侧板发动机连接处三个螺栓约束 123 456度，排和动机连接处十二个螺栓约束123 456心处度，支架顶部的涡轮增压器采用质量单元（CON 2）简化，在涡轮增压器质质量元和相应的转动惯量0图 1系统模态分析有限元模型- 3 -2007 Altair 大区用户技术大会集支架强度计算和疲劳安全系数分析，模型见图 2。约束：在支架侧板与动机连接处三个螺栓孔分别约束 123 456度。载荷：第一工况：在支架顶部涡轮增压器质心处（CO M2）加上沿气缸轴线方向向下 600 N 的力，同时，排由于高温废气的温度影响，沿发动

10、机曲轴轴线方向有一定的升长，所以，在涡轮增压器质心点加上沿曲轴轴线方向向外的强制位移 2 mm；第二工况：在支架顶部连接的质心处加沿气缸轴线方向向上 200 N制位mm。的力，同时在涡轮增压器质心处加沿图 2支架强度分析有限模型1.2 支架损坏的分析经过模态分析，支架系统沿发机横向 1 阶振动固有频率为 103.7 Hz，支架振型如图 3沿发动机横向 1 阶振动时支架所示。其中灰色结构为没有发生振动的形态，深色结构的振型。而该发动机在转转下要求支架系统固有频率必须在 110 Hz 以上，所以可以初步支架损坏主要是由于共振造成的。为进一步明确支架的损坏，进行了支架的静态强度和疲劳安全系数分析，其

11、点疲劳安全系数云图如图 4 所示，从图中可以看出，支架的最小安全系数为 1.267，已经大于人们默认的结构安全最小阀值 1，所以支架在静态和动态载荷作用下已经满足结构的强度需求，导致支架损坏。根据上述结果可知，为避免支架损坏，只需要在满足现有结构强度的基阶固率。1.267阶固率的振型图 4支架疲劳安全系数分布云图- 4 -2007 Altair 大区用户技术大会2 支架的频率优化设计2.1 频率拓扑优化设计的难点在进行动态优化设计时还与静态优化设计完全不同的难题。首先，动态的目标函数不像静态目标函数那么。例如，在频率拓扑优化设计过，由于各阶模态振型容易切换，从而导致以固有频率为目标的标准函数不

12、再光滑。第二，动态拓扑优化时，目标函数的灵敏度分析可能是非连续的。第三，如果动态拓扑优化设计成为一个非凸性求解问题，适用于静态拓扑优化设计的迭代原理在此时就失去作用，导致迭代终止，优化无法进行。由于这些，动态拓扑优化设计在工程实际上的应用受到了较大的限制。本文在进行支架的频率拓扑优化设计时，综合考虑上述三点，建立了合理的优化模型，并且采用模态追踪免模态振型之间的相互切换，避2.2 支架的频率拓扑优化设计在进行支架的拓扑优化之前，首先根据发动机整体布局，确定支架的最大设计空间见图5。为避免上述动态优化中出现的数值求解问题，在建立优化有限原模型时，支架结构全部采用六面体实体单元建立，并单元的最小度

13、，尽量避免优化过出现的数值震荡。另外，本文采用模态追踪切换。经过拓扑，强制每一阶固有频率振型不变，避免了模态振型之间的相互代，结果如图 6 所示。图 6支架频率拓扑优化结果间本文在不考虑其生产难易度的基础上，直接将优化结果文件转化为结构，通过相应的模态分析和静、动态强度分析，该结构系统沿发机横向 1 阶振动固有频率为 113.8 Hz，达到避开发动机共振频率区域的要求，并且具有良静、动态强度性能，没有应力集中现象。但是，在将优化结果转化为实际时，应该考虑在成批量生产过的难易度和成本，这样才能使优化结果达到工作性能最好，性能最佳的目的。本文根据设计者的经验和工艺要求，结合拓扑优化分析结果，手工改

14、进优化设计，最后确定该支架的优化结- -2007 Altair 大区用户技术大会集构为图 7 所示。经过相同条件下的模态分析和静、动态强度分析验证，该支架结构系统沿发机横向 1 阶振动固有频率为 111.5 Hz，其振型如图 8 所示，该频率已经达到目标要求；优化支架的疲劳安全系数分析云图如图 9 所示。从图 9 中可以看出，支架疲劳安全系数都大于 2，所以支架绝对安全可靠；通过质量分析对25.2%。支架支架模型图统一有频率的振型图化支 的疲劳安全系数分布云图3 结论根据支架拓扑优化点优势：有限元分析和模态分析数据比，优后的支架具有以下几（1）后的支架地避开了系统的共振频率区域，整个支架受力均

15、匀，没有应力集中部位解决了有支架断裂的工程实际问题；（2）后的支架简化了原有支架的过形成弯角褶皱的风险。工艺，一方面降低了生产成本，另一方面 少了冲（3）优化后架比原有支架减少 25.2%重量。本文发动机排气制动阀支架频率拓扑优化的例子展示了拓扑优化技术是一个非常有用的工具，让设计师可以根据的性能要求，在指定的设计空间内快速、准确的实现产品设计，另外一方面，可以传统结构的性和质量，并找到一种全新的设计方案。- 6 -2007 Altair 大用户技术 会4 参 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