基于ABAQUS的发动机油底壳优化设计*

魏薇 杜宪峰 闫鹏斌 王俊文 张磊

（辽宁工业大学汽车振动与噪声工程技术研究中心）

随着计算机技术的快速发展与广泛应用，与传统的设计方法相比，机械产品开始向轻量化与低成本化的方向发展。另外，由于机械产品越来越复杂，对其结构要求也越来越高，结构优化在现代工程设计领域越来越重要[1]，其目的是以最少的材料与最低的成本来实现产品的稳定性、强度及刚度等最优性能。自从工程设计领域应用了结构优化以来，产品的研发周期得以缩短并且产品的性能和质量也有了很大提高[2]。文章基于有限元分析软件ABAQUS分析了油底壳约束模态下应力分布规律并利用拓扑优化模块，对油底壳进行结构拓扑优化，得到油底壳优化后的应力分布和体积。

1 油底壳ABAQUS有限元分析模型的建立

模型、约束及载荷与实际结构的力学特征符合程度直接影响了有限元分析结果的可信度，因此有限元分析模型的建立应该能反映实际结构的力学特性，并且采用较少的单元及较简单的单元形态，来缩小解题规模并能保证较高的计算精度。

1.1 建立ABAQUS有限元模型

文章采用Pro/E建立油底壳三维模型，然后导入ABAQUS中建模。Pro/E中的模型导入ABAQUS后，利用ABAQUS的模型修复功能消除几何模型中可能存在的，如小平面、自由边、微小缝隙及小尖角等几何缺陷。采用Pro/E与ABAQUS相结合的建模方法，得到了较为精确的油底壳几何模型，如图1所示。

运用Mesh模块生成有限元网格，并且按照壳体单元进行划分。由于S4R壳单元（4节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元）性能稳定，适用性广[3]，油底壳用S4R壳单元划分，且含有极少的S3壳单元。油底壳的ABAQUS有限元分析网格模型，如图2所示。

1.2 材料与约束条件

先确定模型单元的材料属性来进行有限元分析，发动机油底壳材料参数为：材料类型为板厚3 mm的45＃钢板，体积质量 7 850 kg/m3，弹性模量 2.06×105MPa，泊松比0.3。

边界约束条件施加是否合理直接影响到分析结果的合理性与正确性。在油底壳实际工作过程中，法兰和机体下表面通过螺栓连接在一起。因此对油底壳法兰部分完全约束。

2 结构拓扑优化

拓扑优化即在每次迭代过程中通过修改模型中指定区域的单元材料，并且让其从特定的区域中移走或增加单元，最终获得最优设计目标的优化过程[4]。拓扑优化方法是在结构设计初期提出的概念性的材料分布方案，但不是最终方案[5]。这种概念性的材料分布能够满足结构强度与刚度的要求。

在ABAQUS中，拓扑优化过程为：创建优化任务—创建设计响应—创建优化目标函数—创建优化约束条件—提交优化任务[6]。

油底壳拓扑优化任务的创建过程，如图3所示，设计响应分别为应变能和零件体积，目标函数为最小应变能，优化约束条件为体积低于初始体积70%，冻结区域为油底壳法兰部分。

3 结果及分析

通过提交优化任务，得到油底壳优化前前5阶Mises应力云图，如图4所示。

从图4中可以看出，深色区域为约束后应力较小区域，主要分布在油底壳的上端凸沿和左右侧板处，说明在设计时此处的材料可以减薄甚至删除；浅色为约束后应力较大的区域，主要分布在油底壳的底板处，说明此处的材料应保留[7]。

经过10次优化迭代并分析每次迭代应力分布情况，得到拓扑优化迭代历程Mises应力云图，以第5次和第10次迭代为例，如图5所示。

由图5可以观察到拓扑优化的过程，在应力最小之处产生孔洞，随着体积减小，孔洞逐渐增大增多。油底壳的主要功用是储存机油和封闭曲轴箱，而图5中出现的孔洞显然不能满足油底壳的功能性，应参考应力云图，并结合其实际使用情况，对油底壳进行模型重塑。对原模型进行保留，而对孔洞区域进行减薄处理，使其厚度由原3 mm减为2 mm，从而使结构的用料减少、质量变轻。

应变能与迭代步关系曲线，如图6所示。由图6可以看出，随着迭代步的增加，油底壳应变能逐渐减小，且与迭代步不成正比。表明其优化过程的刚度值增加，而每一步的最大Mises应力总体还是呈下降趋势。

体积与迭代步关系曲线，如图7所示。由图7可以看出，随着迭代步的增加，油底壳体积逐渐减小，至第10次迭代完成后，体积减小到原来的70%，很大程度上降低了油底壳的质量。

图8示出迭代过程中最大Mises应力的变化曲线。从图8可以看出，经过10次迭代后优化完成，并且经优化后其最大应力明显改善，其最大应力为102.6 MPa，而45＃钢的屈服极限为355 MPa，油底壳最大应力小于材料的屈服极限。说明第10次迭代完成后的油底壳符合强度要求。

4 结论

利用Pro/E三维软件建立油底壳的三维模型，然后将其导入ABAQUS有限元分析软件进行有限元分析和结构拓扑优化。优化后刚度值增大，最大应力小于材料屈服极限，说明性能完全满足要求，通过减小体积，从而实现模型的轻量化。该方法对于壳体的设计与优化同样具有很好的参考价值。

文章对柴油机油底壳结构优化的研究还非常粗浅，模型比较简单，将来可以对稍复杂的模型展开讨论和研究。柴油机油底壳的疲劳寿命预测是目前的难题之一，将疲劳寿命作为优化的评价指标也能够有更为实际的应用前景。