基于OptiStruct形貌优化分析技术的商用车发动机油底壳设计方法

摘要：商用车发动机在怠速和工作中会产生较大的振动和噪声，与其相关零部件的振动特性就显得尤为重要。为了降低发动机油底壳辐射噪声以及达到轻量化的目的，设计中考虑将油底壳材料由钢换成塑料，本文运用Altair公司的OptiStruct结构优化分析软件对某型号发动机塑料油底壳进行了模态及形貌优化分析，并根据优化分析结果确定了塑料油底壳加强筋最佳布局方式，最终使其性能达到最好。

1引言

现代汽车设计对减重和降低成本的需求越来越高，以往商用车用的发动机油底壳材料一般都为钢或铸铝，而目前国外先进的汽车制造商越来越倾向于塑料油底壳的研发和生产。塑料油底壳不仅可以减少模具制造的费用，而且也省略了铝合金油底壳压铸后的机械加工工序，其生产成本应比铝合金油底壳低30%～40%。另外，塑料油底壳还因为集成了油道、吸油管、机油过滤器、单独的备用油口和防溅板等，进一步减少了空间占用、生产制造费用和装配费用。

结构优化分析技术是一项新兴的设计方法，用于进行概念设计和精细设计。它分为拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化，且所有优化类型可以进行组合。它可以在方案设计阶段给出零部件甚至车身原型合理的材料布局，减轻结构重量，以及合理的确定零件的一些参数和形状。通过这项技术，企业能缩短设计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。国外针对汽车底盘、发动机等零部件的优化分析和设计的研究及应用都已经比较成熟。国内目前仍处于理论研究阶段，各汽车厂家也极少实际应用此项技术。而且当前优化的软件还不成熟，需要更多的研究和实例应用。目前汽车行业竞争激烈，国内国外各大厂家都在使用或者关注优化技术，期望通过它来提升产品的竞争力。优化分析技术必将在未来几年得到快速的发展。

形貌优化是一种形状最佳化的方法，它可以用来设计薄壁结构的强化压痕。用来减轻结构的重量，同时又能满足强度、频率等要求。设定优化步骤简单，只需要定义一个设计区域、装饰条的最大深度和拉伸角。同时考虑到可加工形，软件还提供了多种压痕成型方式。优化后的结果还可以用OSSmooth工具产生的几何数据输入到CAD软件中，进行二次设计。

以某商用车发动机塑料油底壳为研究对象，应用形貌优化分析方法对其加强筋进行了优化布局分析，最终使其满足设计要求。

2 结构模型化

根据发动机塑料油底壳结构特点划分单元时对油底壳基座采用四面体单元，对薄壁区域采用四边形板单元；模型划分单元尺寸定义为5mm，体单元128115个、板单元46187个、节点79758个；图1为塑料油底壳原始设计模型网格图。

3 计算载荷及工况

所用材料为复合材料SMC，泊松比μ=0.3，弹性模量E=11GPa，密度ρ=1.8×103Kg/M3。约束油底壳基座四周固定孔，计算其约束模态。

4 分析计算与结果

本次分析计算采用ALTAIR/HyperMesh9.0软件完成。图2为油底壳原始设计结构的前两阶模态振型图。

根据以往分析结果，钢板制油底壳的一阶频率为284 Hz，我们给出塑料油底壳的设计目标为不低于钢板制油底壳一阶频率的15%即240 Hz。从分析结果来看，塑料油底壳原始设计结构一阶频率为216Hz，远低于设计目标，需要改进。

从其振型图上可以看出油底壳底面为其薄弱的部位，将其定为设计区域对塑料油底壳其进行形貌优化分析。首先在油底壳原始设计基础上将其底面加强筋去掉，用平板代替；其次将该平板定义成可设计区，其余部位为非设计区；最后定义优化目标为一阶模态的频率最大。图3为油底壳优化结果。

优化结果显示，优化后的概念设计模型一阶频率达到280Hz，能够满足设计要求。对优化后的概念模型（图3）进行解读来确定加强筋的具体参数（图4）。表1为根据优化结果确定的加强筋具体参数。

经工艺及实际情况考虑过后确定最后的仿优化设计结果（图5）并对其进行模态计算，得到其一阶频率为251Hz（图6），说明仿优化设计方案能够满足设计要求；表2为各方案油底壳模态分析结果。

5 结果分析与讨论

5.1发动机塑料油底壳原始设计一阶频率为216Hz，低于设计目标值，需要改进。

5.2优化结果显示其一阶频率可以达到280 Hz，与钢板制油底壳非常接近。

5.3仿优化设计塑料油底壳一阶频率升至251Hz，相比原始设计提升16%，效果明显且满足设计目标。

5.4综上所述，仿优化设计结果可以实施采用。

5.5该仿真分析过程就是文中所要表述的基于OptiStruct形貌优化分析技术的商用车发动机油底壳设计方法。

6参考文献
[1] 汤定国. 汽车发动机构造与维修. 北京：人民交通出版社, 2005
[2] 魏庆曜. 发动机与汽车理论. 北京：人民交通出版社，1998
[3] 付永华. 有限元分析基础. 武汉：武汉大学出版社，2003,8
[4] 赵诒枢，吴云存. 工程力学. 湖北：湖北汽车工业学院，2000
[5] 卢耀祖，周中坚等. 机械与汽车结构的有限元分析. 上海：同济大学出版1997
[6] 王勋成，邵敏. 有限单元法基本原理与数值方法. 北京：清华大学出版社，1988,9