魏薇 杜憲峰 閆鵬斌 王俊文 張磊

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車振動(dòng)與噪聲工程技術(shù)研究中心）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)始向輕量化與低成本化的方向發(fā)展。另外，由于機(jī)械產(chǎn)品越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其結(jié)構(gòu)要求也越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域越來(lái)越重要[1]，其目的是以最少的材料與最低的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、強(qiáng)度及剛度等最優(yōu)性能。自從工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化以來(lái)，產(chǎn)品的研發(fā)周期得以縮短并且產(chǎn)品的性能和質(zhì)量也有了很大提高[2]。文章基于有限元分析軟件ABAQUS分析了油底殼約束模態(tài)下應(yīng)力分布規(guī)律并利用拓?fù)鋬?yōu)化模塊，對(duì)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，得到油底殼優(yōu)化后的應(yīng)力分布和體積。

1 油底殼ABAQUS有限元分析模型的建立

模型、約束及載荷與實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征符合程度直接影響了有限元分析結(jié)果的可信度，因此有限元分析模型的建立應(yīng)該能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，并且采用較少的單元及較簡(jiǎn)單的單元形態(tài)，來(lái)縮小解題規(guī)模并能保證較高的計(jì)算精度。

1.1 建立ABAQUS有限元模型

文章采用Pro/E建立油底殼三維模型，然后導(dǎo)入ABAQUS中建模。Pro/E中的模型導(dǎo)入ABAQUS后，利用ABAQUS的模型修復(fù)功能消除幾何模型中可能存在的，如小平面、自由邊、微小縫隙及小尖角等幾何缺陷。采用Pro/E與ABAQUS相結(jié)合的建模方法，得到了較為精確的油底殼幾何模型，如圖1所示。

運(yùn)用Mesh模塊生成有限元網(wǎng)格，并且按照殼體單元進(jìn)行劃分。由于S4R殼單元（4節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元）性能穩(wěn)定，適用性廣[3]，油底殼用S4R殼單元?jiǎng)澐?，且含有極少的S3殼單元。油底殼的ABAQUS有限元分析網(wǎng)格模型，如圖2所示。

1.2 材料與約束條件

先確定模型單元的材料屬性來(lái)進(jìn)行有限元分析，發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼材料參數(shù)為：材料類型為板厚3 mm的45＃鋼板，體積質(zhì)量 7 850 kg/m3，彈性模量 2.06×105MPa，泊松比0.3。

邊界約束條件施加是否合理直接影響到分析結(jié)果的合理性與正確性。在油底殼實(shí)際工作過(guò)程中，法蘭和機(jī)體下表面通過(guò)螺栓連接在一起。因此對(duì)油底殼法蘭部分完全約束。

2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化即在每次迭代過(guò)程中通過(guò)修改模型中指定區(qū)域的單元材料，并且讓其從特定的區(qū)域中移走或增加單元，最終獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化過(guò)程[4]。拓?fù)鋬?yōu)化方法是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期提出的概念性的材料分布方案，但不是最終方案[5]。這種概念性的材料分布能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的要求。

在ABAQUS中，拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程為：創(chuàng)建優(yōu)化任務(wù)—?jiǎng)?chuàng)建設(shè)計(jì)響應(yīng)—?jiǎng)?chuàng)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)—?jiǎng)?chuàng)建優(yōu)化約束條件—提交優(yōu)化任務(wù)[6]。

油底殼拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)的創(chuàng)建過(guò)程，如圖3所示，設(shè)計(jì)響應(yīng)分別為應(yīng)變能和零件體積，目標(biāo)函數(shù)為最小應(yīng)變能，優(yōu)化約束條件為體積低于初始體積70%，凍結(jié)區(qū)域?yàn)橛偷讱しㄌm部分。

3 結(jié)果及分析

通過(guò)提交優(yōu)化任務(wù)，得到油底殼優(yōu)化前前5階Mises應(yīng)力云圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出，深色區(qū)域?yàn)榧s束后應(yīng)力較小區(qū)域，主要分布在油底殼的上端凸沿和左右側(cè)板處，說(shuō)明在設(shè)計(jì)時(shí)此處的材料可以減薄甚至刪除；淺色為約束后應(yīng)力較大的區(qū)域，主要分布在油底殼的底板處，說(shuō)明此處的材料應(yīng)保留[7]。

經(jīng)過(guò)10次優(yōu)化迭代并分析每次迭代應(yīng)力分布情況，得到拓?fù)鋬?yōu)化迭代歷程Mises應(yīng)力云圖，以第5次和第10次迭代為例，如圖5所示。

由圖5可以觀察到拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程，在應(yīng)力最小之處產(chǎn)生孔洞，隨著體積減小，孔洞逐漸增大增多。油底殼的主要功用是儲(chǔ)存機(jī)油和封閉曲軸箱，而圖5中出現(xiàn)的孔洞顯然不能滿足油底殼的功能性，應(yīng)參考應(yīng)力云圖，并結(jié)合其實(shí)際使用情況，對(duì)油底殼進(jìn)行模型重塑。對(duì)原模型進(jìn)行保留，而對(duì)孔洞區(qū)域進(jìn)行減薄處理，使其厚度由原3 mm減為2 mm，從而使結(jié)構(gòu)的用料減少、質(zhì)量變輕。

應(yīng)變能與迭代步關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，隨著迭代步的增加，油底殼應(yīng)變能逐漸減小，且與迭代步不成正比。表明其優(yōu)化過(guò)程的剛度值增加，而每一步的最大Mises應(yīng)力總體還是呈下降趨勢(shì)。

體積與迭代步關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，隨著迭代步的增加，油底殼體積逐漸減小，至第10次迭代完成后，體積減小到原來(lái)的70%，很大程度上降低了油底殼的質(zhì)量。

圖8示出迭代過(guò)程中最大Mises應(yīng)力的變化曲線。從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)10次迭代后優(yōu)化完成，并且經(jīng)優(yōu)化后其最大應(yīng)力明顯改善，其最大應(yīng)力為102.6 MPa，而45＃鋼的屈服極限為355 MPa，油底殼最大應(yīng)力小于材料的屈服極限。說(shuō)明第10次迭代完成后的油底殼符合強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

利用Pro/E三維軟件建立油底殼的三維模型，然后將其導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。優(yōu)化后剛度值增大，最大應(yīng)力小于材料屈服極限，說(shuō)明性能完全滿足要求，通過(guò)減小體積，從而實(shí)現(xiàn)模型的輕量化。該方法對(duì)于殼體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化同樣具有很好的參考價(jià)值。

文章對(duì)柴油機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究還非常粗淺，模型比較簡(jiǎn)單，將來(lái)可以對(duì)稍復(fù)雜的模型展開(kāi)討論和研究。柴油機(jī)油底殼的疲勞壽命預(yù)測(cè)是目前的難題之一，將疲勞壽命作為優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)也能夠有更為實(shí)際的應(yīng)用前景。