基于OptiStruct软件的某发动机空滤器支架拓扑优化分析

时培伟，袁帅， 亓宗磊 ，郭彬

(潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

0 引言

随着科学技术的发展、社会的进步，电力能源发展迅速，人们生活得到极大改善。但在我国某些山区、世界其他贫穷落后国家，仍面临电力危机，因此陆用发电机组是其主要电力来源。发动机空滤器支架作为陆用发电机组的基本装置，已经关系到发动机的可靠性、安全性。其中，支架模态是发动机NVH性能的重要参数，设计合理的发动机支架一阶频率，对于提高支架疲劳寿命、NVH性能，保证陆用发电机组强度、可靠性、安全性至关重要。因此，在定转速下，要尽量避开发动机额定转速下主激励危险频率带。

基于某发动机空滤器支架一阶模态不合格问题，利用OptiStruct软件对空滤器支架进行拓扑优化，得到了空滤器支架肋板结构布置最优解,并对前后一阶模态频率进行对比。结果表明：在支架质量无明显变化的情况下，通过优化结构布置将支架一阶模态频率提高67%，优化效果明显。研究成果为发动机支架类模态优化问题提供了可借鉴的方法。

1 有限元模型建立与分析

1.1 空滤器支架有限元模型建立

某发动机厂新配套陆用发电机组、发动机空滤支架，校核计算其模态是否满足设计要求，为设计提供参考依据。空滤器支架有限元模型如图1所示，部件材料参数见表1。

图1 空滤器支架有限元模型

表1 部件材料参数

1.2 空滤器支架模态分析

对所建立的有限元模型进行约束模态分析，该模型飞轮壳与支架连接，飞轮壳建立边界条件约束，为消除空气空滤器塑料材料引起的局部模态，将滤清器简化为一个质心点。

有限元分析边界定义完成后，使用OptiStruct软件对支架进行求解,得到空滤器支架前三阶阵型如图2所示。

图2 空滤器支架前三阶阵型

此陆用发电机组搭载六缸四冲程发动机，基于发动机工作机制，由发动机引起的谐波阶次频率计算公式为：

(1)

式中：为发动机谐波阶次频率，Hz；

为发动机转速，r/min;

为发动机谐波阶次。

额定转速1 500 r/min下的发动机主激励频率为75 Hz，正好耦合于空滤支架一阶模态为75.6 Hz，两者会产生共振。因此，需要对空滤器支架进行重新优化设计，且避开发动机额定转速1 500 r/min下所对应的危险频率带60～90 Hz。

2 结构优化

2.1 拓扑优化

拓扑优化是一种在预定的设计空间中探寻最佳设计方案的概念性设计方法。美国Altair公司开发的OptiStruct软件中的拓扑优化采用了通用的变密度法，其基本思路是人为引入一种假想的密度可变材料，优化时以材料密度为设计变量，并引入惩罚因子，把结构刚度和材料密度进行关联，最终将结构拓扑优化问题转换为材料的最优空间分布问题。

2.2 优化空间参数设定

滤清器支架的结构性能是整机性能的重要载体。在支架概念设计阶段，综合考虑支架位移较大部位填充材料，进行拓扑优化，找到有效的载荷传递路径，提高支架性能和结构效率。

拓扑优化空间如图3所示。

图3 拓扑优化空间

拓扑优化模型如图4所示。

图4 拓扑优化模型

飞轮壳设置边界约束，约束了所有自由度。以滤清器支架为设计空间建立Psolid设计变量，创建体积分数、频率两个设计变量，最后将0.6倍的支架体积分数作为优化约束边界，将支架最大频率作为优化目标。

将上述优化设置完成后，使用OptiStruct软件进行求解，得到其密度分布云图，如图5所示。

图5 密度分布云图

由图5可以看出，设计空间内侧中间部分、支架下部两侧单元密度较小，可以将此处材料去除以减轻质量。参考优化后的单元密度云图，并兼顾工艺以及制造成本，重新设计集合模型，优化后空滤器支架结构如图6所示。

图6 优化后空滤器支架结构

为验证优化结果有效性，对优化后的空滤器支架进行有限元分析。

2.3 结构优化仿真分析结果

为验证优化结果的有效性，对优化后的空滤器支架进行网格划分，其有限元模型如图7所示。

图7 优化后空滤器支架有限元模型

使用OptiStruct软件进行有限元分析，优化后空滤器支架前三阶阵型如图8至图10所示。

图8 优化后空滤器支架一阶阵型

图9 优化后空滤器支架二阶阵型

图10 优化后空滤器支架三阶阵型

对空滤器支架优化前后的一阶频率及质量进行对比，结果见表2。

表2 优化前后主要指标对比结果

由表2可见，优化后空滤器支架一阶模态频率提高67.1%，质量下降0.8%，一阶模态频率提升明显，高于发动机主激励频率带最大频率90 Hz，满足设计要求。

由此确定对空滤器支架的优化措施是有效的，提高了材料的利用率，优化了力的传递路径，大大缩短了项目开发周期，节约了大量费用。

3 结论

文中首先利用Altair公司的HyperMesh软件建立了空滤器支架有限元模型，然后利用OptiStruct软件对空滤器支架进行拓扑优化仿真分析，优化后的支架结构拥有更好的NVH性能，第一阶固有频率得到了显著提高并满足设计要求。

OptiStruct软件强大的优化设计功能，不仅提高了客户的设计效率，而且为设计人员提供了更多科学有效的优化方案，极大地缩短项目开发周期、减轻了优化设计的复杂程度，提升了产品在市场中的竞争力，由此更能体现出OptiStruct软件的工程应用价值。