发动机机体加强板轻量化设计

赵文彬，齐伟，胡琦山，云峰，王有治

1.内燃机可靠性国家重点实验室,山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司 发动机研究院,山东 潍坊 261061

0 引言

SolidThingking是一款专为设计工程师打造的计算机辅助软件，适用于产品概念结构的构建以及方案的可视化处理。Inspire是其中的子模块，应用Altair OptiStruct求解器，利用工程上的“拓扑优化”技术，最终获得材料最省的最佳受力结构，便于进行概念阶段的轻量化设计。Inspire界面简单，且无需进行网格前处理工作，易学易用，非常适合设计工程师进行快速的方案验证，缩短设计仿真周期[1-3]。本文中采用Inspire软件，在满足可靠性的前提下对发动机机体加强板进行结构优化，多轮迭代后得到最优方案。

1 机体加强板

机体内部承受燃烧载荷及运动件的冲击载荷，外部则承担着大部分配附件的联接，作为发动机骨架，需保证足够的刚度及强度，以确保发动机整个生命周期内的可靠性。为加强机体刚度，除强化机体本身结构外，可采用机体加强板对机体裙部刚度进行强化。机体加强板安装固定在龙门式机体的下平面，连接机体左右裙部，增加机体裙部刚性，降低机体振动噪声，如图1所示。为保证刚度强化效果，多数机体加强板结构设计复杂、板壁很厚，虽然有利于提升整体刚度，但是过度强化会大幅增加整机质量，经济性差。轻量化是实现整车节能减排的重要途径，研究表明，整车质量每降低10%，整车油耗可降低6%～8%[4-6]，现代柴油机不仅要保证可靠性，也要重视轻量化。为有效实现轻量化的目标，需对发动机机体加强板进行轻量化设计。

图1 机体加强板安装示意

2 模态分析与加强板选型

以某四缸直列发动机为例，为减少机体振动带来的可靠性降低及噪声问题，需要增强机体刚度，同时要求进行轻量化设计。设计过程中，根据机体加强板的缸数、位置设计选型方案，综合评估刚度及质量，获得最佳的加强板设计方案。

2.1 机体加强板三维模型及选型方案

四缸机机体概念设计三维模型及加强板简化模型如图2所示。概念设计阶段需要确认机体加强板的初步设计方案，为快速验证，采用如图2 b)所示的简化模型用于初始选型。

a)机体 b)加强板简化模型

以加强板所覆盖的缸数为单一要素设计加强板方案，6种机体加强板方案如表1所示。对机体与不同位置的加强板进行模态分析，通过数据对比选择最优方案。

表1 机体加强板方案

2.2 仿真参数设置及结果

机体与机体加强板材料均为灰铁，弹性模量为117 GPa、泊松比为0.26、密度为7200 kg/m3。

方案1(整体四缸)仿真模型如图3所示。机体加强板采用四缸简化模型，利用Inspire软件中的螺栓连接功能，将机体加强板与机体装配。Inspire中的计算参数设置如下：仿真模型单元尺寸为6 mm；模态分析数量为6，即不施加外界载荷的情况，计算前6阶自由模态频率；接触设置为滑动接触。

图3 方案1(整体四缸)仿真模型 图4 方案1第一阶模态变形云图

方案1的第一阶模态变形云图如图4所示。

由图4可知，方案1第一阶变形呈现沿曲轴方向的一阶弯曲形态，第一阶模态频率为859 Hz。

2.3 加强板选型结果

采用同样的仿真设置，对其他5种加强板方案及原方案(即单独机体，定义为方案7)进行模态分析，各方案的仿真模型如图5所示。不同方案的加强板在方案1的基础上减少缸数，且安装位置也有所不同，对不同方案进行模态分析以评估不同缸数、不同位置下的最优方案。

a)方案2 b)方案3 c)方案4 d)方案5 e)方案6 f)方案7

各加强板方案和单独机体的第一阶模态变形云图如图6所示。由图6可知，各方案的第一阶变形都是沿曲轴方向的一阶弯曲变形，但是由于加强板覆盖缸数以及位置不同，变形形态、一阶模态频率、位移均不同。

图6 方案2～7的第一阶模态云图

计算各方案一阶模态频率并与方案7进行对比，得出各方案在模态频率上的提升率，如表2所示。

表2 机体加强板方案的一阶模态频率及提升率

由表2中可知，采用方案1，即四缸整体加强板的模态频率强化效果最好，第一阶模态频率提升66%；方案2、3均采用3个缸的加强板，由于机体本身前后端结构刚度略有差异，模态频率提升效果不同，分别为49%、51%；2个缸的机体加强板方案中，方案4、6的模态频率提升效果最差，仅为20%，方案5的模态频率提升率为40%，远高于方案4、6。

方案1、2、3、5的模态频率均大于700 Hz，相对方案7，模态频率提升率均超过40%，其中方案5是唯一的2缸加强板方案，质量最小，综合考虑模态频率与质量，确定方案5为最终选型方案。

3 拓扑优化

拓扑优化是一种根据约束、载荷及优化目标寻求结构、材料最佳分配的优化设计方法。该方法突破了传统设计依赖于经验的局限性，在概念设计阶段通过拓扑优化技术自动寻找最佳的结构布局，并可转化为三维模型。拓扑优化得到的零部件的产品结构更轻便，可大幅降低原材料成本；零件刚度更大，避开共振，提高可靠性，延长寿命；传力路径更加清晰，结构设计更有针对性；更加符合人机工程学，美学意义更加凸显[7-11]。

3.1 传统三维模型

在对现有发动机零部件进行改进或全新设计时，产品设计工程师易受现有产品结构的束缚，难以进行创新。根据机体加强板选型方案，按照传统设计经验，第2、3缸加强板设计(记为方案8)如图7所示。传统设计的机体加强板模型，采用了大量的加强筋以及弯曲造型，结构复杂、质量较大且降低铸造模具使用寿命。

图7 按照传统经验设计的加强板

3.2 基于Inspire的拓扑优化

为获取最佳设计方案，平衡可靠性与轻量化，采用Inspire软件对加强板拓扑优化，提高设计效率和一次设计成功率。拓扑优化的机体加强板简化模型、Inspire中建立的仿真模型如图8所示。

a)简化加强板模型 b)仿真模型

因为装配工况下需对连杆包络进行避让，因此简化模型设计为弯曲结构。Inspire仿真模型中，以机体加强板为设计空间，优化目标为质量最小化；为保证刚度提升效果，以模态频率提升50%作为拓扑优化目标值，即模态频率目标设置为770 Hz；厚度约束设置为10 mm。

方案5的拓扑优化结果如图9所示，其主要传递路径为螺栓连线，且保留了中间部位的材料，与之前经验设计的加强板结构不同。根据拓扑优化后的结果，可获得更加精准的设计方案，避免经验设计带来的误区。

图9 方案5拓扑优化结果

4 三维重建与模态分析

4.1 三维重建

对方案5的拓扑模型进行三维重建，其2种不同三维结构状态如图10所示。图10a)为初始模型，主要加强螺栓之间连线结构以及中部结构。图10b)为在图10a)的基础上，考虑结构工艺性、加工定位以及流转运输的要求，进行结构升级后的三维模型。

a)初始模型 b)结构升级后

为确保后续批量化生产，确定图10b)所示方案为最终方案，记为方案9。

4.2 模态分析

采用Inspire软件和同样的仿真设置，对采用传统经验设计的方案8及拓扑优化、结构升级后的方案9进行模态分析，结果如图11、12所示。

a)仿真模型 b)第一阶模态变形云图

a)仿真模型 b)第一阶模态变形云图

方案8、9的第一模态频率、质量对比如表3所示。由表3可知：1)2种设计思路的加强板与机体配合后，其模态频率相对于单独机体都有大幅提高，达到单独机体的1.5倍，机体刚度也大幅提高；2)方案8、9的一阶模态频率仅相差1%，表明无目的性的复杂结构对于刚度提升影响较小，而保证关键结构路径才能有效提升结构刚度；3)相对于方案8，方案9质量减轻约35%，轻量化效果明显。

表3 方案8、9第一阶模态、质量对比

5 结论

采用SolidThinking Inspire软件，在满足功能的前提下对机体加强板进行轻量化设计，通过多轮迭代获得最优设计方案。1)为加强整机刚度，按照传统经验设计的机体加强板通常结构复杂、工艺繁琐，且很难均衡刚度与质量的关系。2)采用Inspire软件，对不同机体加强板方案进行选型，对比分析不同缸数、不同位置的机体加强板的第一阶模态频率，综合评估质量与刚度，确认采用第2、3缸机体加强板。3)根据拓扑优化后的结构进行三维重建，同时考虑工艺性与量产要求，确定了机体加强板的最终方案，其模态频率达到单独机体的1.5倍，与传统模型的模态频率相当，且质量比传统设计模型轻35%，刚度与可靠性达到最优效果。