OptiStruct在发动机支架优化设计中的应用

1 概述

结构优化设计是部件轻量化的主要途径之一，目前已被广泛应用到航空航天、汽车、机械等领域。拓扑优化是结构设计优化其中的一种方法，拓扑优化的目的是寻求结构在设计空间上的最佳分布形式或传力形式，使构件在减轻重量的同时，获取最佳的使用性能。它主要分为离散结构拓扑优化和连续体结构拓扑优化。连续体结构优化是目前比较成熟的研究方法，有均匀化方法、渐进结构优化法和变密度法。

本文以某轿车的前悬置支架为研究对象，采用拓扑优化技术进行轻量化设计，在不牺牲零部件刚度的前提下，达到质量的最小化。

2 有限元建立与工况分析

通过Altair的前处理工具HyperMesh建立发动机支架的有限元模型，并进行材料属性的设置，约束条件以及分析工况的建立。

2.1 有限元模型的建立

因本次分析为发动机被动侧支架的减重分析，所以只对该支架进行有限元建模，该支架模型较小因此选用单元边长为3mm的四面体单元，在HyperMesh模块下进行有限元建模，具体如图1。

2.2 材料与属性

计算中所使用的材料参数如下：

ZL101A的材料参数：

弹性模量：71GPa
材料密度：2.7e-9 t/mm3
泊松比：0.3
长度单位为：mm

2.3 工况设置

发动机支架分析包括+z10g上跳分析和-z10g下跳分析，方向沿主轴坐标系，主轴坐标系和车身坐标系成20度角具体如下图。约束支架安装螺栓孔位置的6个方向自由度。

3 拓扑优化设计

首先对主支架结构进行总体评价，将支架分为设计区域和非设计区域，如图3所示。设计区域是可以进行结构优化的部分，非设计区域是不改变结构的区域。下图中灰色是非设计区域，蓝色是设计区域。

本次优化主要是在保证支架刚度满足要求的情况下，对支架结构进行减重优化。

1）优化参数：设置拔模方向为Z向
2）优化约束：工况一+Z10g上跳悬置中心点位移≤0.002mm
工况二-Z10g上跳悬置中心点位移≤0.001mm
体积分数≤0.2
3）优化目标：重量最小

4 优化结果与评价

优化结果透明部分对刚度影响较小，通过后处理Post菜单下的OSSmooth功能生成优化后的几何模型如图5。

通过与设计工程师交流后设计出新的发动机支架结构如图 6，并重新进行+10g上跳和-10g下跳工况下的刚度计算，位移云图及数值具体见表1。

比较拓扑优化前后的发动机支架分析结果，优化后发动机被动侧支架的中心安装点的位移不变，满足目标要求，但优化后的支架重量减轻15.9%。说明优化后的结构仍具有良好的力学性能，满足设计要求，同时节约了成本，可以为CAD设计部门提供可行的设计方向。

5 结论

根据本文发动机零部件拓扑优化的例子成功展示了拓扑优化技术是一个非常有用的工具，让设计师可以根据产品的性能要求，在指定的设计空间内快速、准确的实现产品设计，另一方面，可以通过拓扑优化改善结构性能、减轻产品质量，并找到一种全新的设计方案。通过优化技术，特别是拓扑优化方法，可以在汽车概念设计阶段提供尽可能多的优化方案，从而为后期轻量化整车的开发奠定基础。

6 参考文献
[1] HyperWorks Help documents.
[2] 张胜兰 李楚琳 郑冬黎 郝琪编 《基于HyperWorks的结构优化设计技术》 机械工业出版社 2008