63发动机油底壳结构减重优化--陈馨

发动机油底壳结构减重优化陈馨邓晓龙谷叶水奇瑞汽车有限公司发动机油底壳结构减重优化Weight-reduction Optimization of an EngineOilpan陈馨邓晓龙谷叶水（奇瑞汽车有限公司发动机工程研究二院试验开发与分析研究部）摘要: 采用OptiStruct软件对发动机油底壳的加强筋厚度进行了优化分析，在保持其前四阶固有频率不变的基础上，减重7%以上。

同时得到了对结构模态影响较大的加强筋，为油底壳的改进指明了方向。

关键词:油底壳尺寸优化减重Abstract:The OptiStruct software is applied to optimize the thickness of the ribs of an engine oilpan. The weight of oil pan is reduced about 7%, while keeping the first to forth natural frequencies unchanged. The ribs are also presented from the optimization results, which can enhance the natural frequency of the structure effectively. The simulation is helpful to improve the oilpan structural.Key words:oil pan，size optimization，weight-reduction1前言油底壳用来收集和贮存内燃机各润滑处和冷却处（如采用机油冷却活塞）流回的机油，散走部分热量，防止机油飞溅，减少氧化，清除泡沫并封闭汽缸体下部。

油底壳的形状和大小取决于内燃机的总体布置、所需机油量以及车辆对内燃机的外形尺寸要求。

它影响车辆的离地高度及通过性[1]。

现需要对某款发动机的油底壳进行减重设计。

由于受安装空间及布置的限制，油底壳的基本拓扑结构不能改变，因此考虑对油底壳加强筋的壁厚分布进行重新设计。

随着有限元计算理论、技术及分析软件的发展，优化技术为工程设计提供了有力的工具。

汽车优化设计是以对汽车各方面性能（安全性能、舒适性、可靠性、动力性、经济性）有显著影响零部件的拓扑结构、形状或尺寸为设计变量，以减轻车身重量为目标，以整车各项性能为约束的工程优化问题[2]。

结构拓扑优化、结构尺寸优化和结构形状优化是目前用得最多的结构优化方法。

一般在设计初期，结构拓扑优化使用得比较广，能为设计者提供一个概念性设计，使结构在布局上采用最优方案。

结构尺寸优化是一种比较简单和直接的轻量化优化方法，在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量。

根据该方法的特点，一般用于对已定拓扑结构的结构进行优化，为设计者提供改进方向。

结构形状优化同结构尺寸优化方法类似。

文中针对某款发动机的油底壳，采用有限元计算方法，利用软件内部的优化功能，对结构的尺寸进行了最小化分析，在保持原有性能的基础上，使重量得到减轻。

结果表明，结构设计的后期改善可以采用尺寸优化方法进行，这为工程项目中实际问题的解决开辟了一条新思路。

2优化基本理论及方法2.1 尺寸优化数学模型结构优化是力学理论、数学规划理论、计算机科学与各工程学科交叉的产物，它使计算机辅助分析的任务从被动的性能校核上升为主动的设计与优化，成为现代设计方法的重要手段。

结构优化设计按照其发展的顺序和难易程度大致可分为三个层次[3]：（1）尺寸优化，优化变量为梁的横截面面积或板壳的厚度分布等；（2）形状优化，优化变量为杆系结构的节点坐标，或板壳上筋的分布；（3）拓扑优化，优化变量为结构的节点布局、节点之间的连接关系等。

目前结构的尺寸优化方法已比较成熟。

尺寸优化数学模型：设计变量 12(,,,)Tn A a a a =目标函数（最小化） Tw C A = 约束条件 ()LUA σσσ≤≤L UAA A ≤≤及 位移、频率、屈曲等约束其中： (,,,,)LTA εεεε=(,,,,)UTAt t t t =A 为设计变量向量；i a 为单元i 的截面面积（桁架）或厚度（壳单元）；σ为单元应力向量；w 为结构的体积（或重量）；U ，L 为上下界标记；n 为设计变量个数即初始设计空间维数；C 为常数向量。

尺寸优化通常有两种方法：基结构法和变厚度法。

(1) 基结构法这种方法通常用于桁架结构，以桁架横截面面积为设计变量，优化时允许截面面积为0，即允许设计变量到达0下限，目标函数为重量。

从基结构出发，在优化过程中删除截面为0的杆件，得到新的拓扑结构，不断迭代，直到得到不变的结构拓扑。

（2）变厚度法变厚度法是一种常用的尺寸优化方法，其基本思想是单元厚度为设计变量，以优化结果中的厚度分布确定最优拓扑，是尺寸优化方法的直接推广。

2.2 基于模态分析的尺寸优化本文采用Altair 公司的OptiStruct 软件进行结构尺寸优化，使用了变厚度法。

所谓可变厚度的结构尺寸优化问题就是建立在合适的基本结构的基础上，用有限元将基结构离散化，以各单元对应的某一参数（厚度）为设计变量，结构材料体积（或重量）为目标函数，在给定的载荷、边界情况和应力约束等条件下求出结构的最优尺寸。

对于一个线性结构，有动力学方程：)()}(]{[)}(]{[)}(]{[t F t X K t X C t XM =++ 其中，[M ]、[C ]、[K ]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；)}({t X 、)}({t X、)}({t X 分别为位移、速度和加速度向量。

无阻尼自由振动系统的特征方程:}]){[]([=-j j M K φω (1)式中，j ω和}{j φ分别为第 j 阶模态频率和模态向量。

[K ]为结构刚度矩阵，[M ]为结构质量矩阵。

(j =1, 2, …, n )，n 为系统自由度。

基于模态分析的拓扑优化的目标是在满足结构约束的情况下改善结构的模态特性。

通过将每个有限元的单元的厚度定义为设计变量，方程（1）中的刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]均可表示为设计变量的函数，这样就可求解出结构的固有频率。

结构尺寸优化一般步骤如下：(1) 建立结构有限元模型。

按照设计空间和非设计区域分别划分有限元网格、定义材料属性和约束。

(2) 指定尺寸优化设计空间；(3) 定义和控制模态提取；在优化循环中指定模态分析类型，根据频率模态指定求解和拓展的模态数。

(4) 定义优化模型优化模型包括 3 个部分：设计变量、目标函数和约束条件。

尺寸优化的设计变量取为梁的横截面面积或板壳的厚度分布等。

设计变量根据其工艺要求要设置上下界限。

在定义了尺寸优化的响应函数后，指定目标函数和约束条件；(5) 定义优化控制，并进行优化分析；(6) 尺寸优化结果后处理。

分析优化结果，并在此基础上建立新的几何模型。

3 油底壳尺寸优化3.1尺寸优化的模型及设计空间定义进行优化设计，首先要定义优化设计的设计空间，图1为优化前的油底壳的有限元网格。

因为油底壳的主要拓扑结构已定，所以将油底壳的加强筋部分作为设计空间，其它部位定义为非设计空间。

将设计空间和非设计空间分别划分网格，要求两者界面上的节点完全对应。

图1 原油底壳有限元模型图图2 设计空间有限元网格基于模态固有频率的结构拓扑优化，目标函数可以有两种取法：（1）以固有频率最高为目标，结构的重量为约束条件；（2）以结构的重量最小为目标，固有频率为约束条件。

此次优化以减重为目标，所以采用第二种方法。

由于油底壳是一个薄壁式铸造件，其形状比较复杂。

进行实体建模时，如果某一薄壁的形状比较复杂，其厚度将不能显示为一个尺寸，因此不能作为设计变量来驱动实体形状的改变。

如果用壳单元建模的话，其厚度可以作为设计变量。

因此使用壳单元来模拟油底壳进行建模。

模型中的单元类型为CQUAD4，不同部位赋予不同的厚度值。

此外，各处加强筋所起的作用不同，为了找出各个加强筋对结构的影响大小，将加强筋分为44组，则设计变量有44个。

从制造工艺上来讲，设计空间中加强筋的最大厚度是有限制的，不能超过8mm。

本文在研究过程中采用了以设计空间的最小重量为目标函数，约束条件取优化后前四阶固有频率大于等于优化前油底壳的前四阶固有频率。

制造工艺约束条件取加强筋厚度在0mm~8mm之间。

3.2优化求解及后处理在完成前面的工作后，开始进行优化计算。

经过7步迭代后，优化完成，优化的迭代过程见图3。

图4是优化后，油底壳各个单元的厚度分布图。

3.3 基于尺寸优化的结果根据优化的结果，各个设计变量得到的结果都有几位小数，不符合生产加工的要求，需要对结果进行圆整。

根据压铸件生产要求（见表1），取最小加强筋壁厚为1.8mm，结果中单元厚度小于1.8mm的单元厚度记为0，其他的结果进行圆整，得到加强筋最优厚度。

重新导入模型，将单元厚度修改后的结果进行赋值。

最后对该结构进行了模态分析。

原结构和尺寸修改后的结构的前4阶固有频率见表2。

从表中可以看出，结构修改后，其前四阶频率与原有结构的前四阶频率基本保持不变，而油底壳重量从3.09kg下降为2.853kg，减小约7.65%。

此外，在结果中得到了对模态影响较大及影响较小的加强筋的位置（见图5和图6），在以后的改进中或是设计新的油底壳时，可以以此为参考。

阶次 优化前（Hz ） 优化后（Hz ） 1 879.0 874.2 2 1005.0 1010.2 3 1318.8 1339.4 4 1430.5 1442.7 质量3.09 kg2.853 kg4 结论通过对某油底壳的结构尺寸优化，并进行结构修改，可以得到如下结论：（1）优化后的油底壳，在保持原前四阶频率的不变的基础上，重量减小约7.65%。

（2）在优化过程中，得到了对油底壳模态影响较大及影响较小的加强筋，为结构的改进设计指明了方向。

研究表明，对传统的机械结构，仍然有很大的减重及性能提升的潜力可挖。

尺寸优化为对现有结构进行进一步优化提供了有利的工具。

5 参考文献[1] 孙业保. 车用内燃机. 北京: 北京理工大学出版社. 2001.[2] 张宝生. 汽车优化设计理论与方法. 北京: 机械工业出版社. 2003.[3] 周克民, 李俊峰, 李霞. 结构拓扑优化研究方法综述. 力学进展. 2005, 35(1): 69~76.[4] OptiStruct User’s Guide. Altair Engineering, Inc.。