1 概述
油底殼在柴油機(jī)運(yùn)行中除了起到機(jī)油散熱的作用外，最主要是儲(chǔ)存潤滑油和密封整個(gè)機(jī)體的作用。柴油機(jī)工作時(shí)，油底殼在整機(jī)影響下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)，是噪聲的重要來源之一，其輻射噪聲占總輻射噪聲的25%左右。因此，降低油底殼的振動(dòng)和噪聲是降低內(nèi)燃機(jī)輻射噪聲的重要環(huán)節(jié)。
提高結(jié)構(gòu)剛度是改善結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的有效措施，通過對結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行控制和調(diào)整，避免與外界激振力頻率相等或相近，從而有效地降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。在工程設(shè)計(jì)中，往往出現(xiàn)難以對多階固有頻率同時(shí)做出合適調(diào)整的難題。據(jù)此，本文基于美國澳汰爾公司的HyperWorks軟件，建立以四面體單元為基本單元的油底殼有限元分析模型，提出了優(yōu)化頻率的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求，對前幾階低階自由模態(tài)的固有頻率進(jìn)行控制和調(diào)整。通過分析油底殼前5 階固有頻率及振型，利用Optistruct 模塊對油底殼進(jìn)行了移頻和減重的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。
2 HyperWorks軟件及變密度拓?fù)鋬?yōu)化法簡介
HyperWorks 軟件是一種應(yīng)用廣泛的有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件，提供了優(yōu)秀的前處理工具Hyper Mesh、用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的Optistruct技術(shù)以及全面而通用的CAE 后處理環(huán)境HyperView，集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，在汽車、航空航天、重裝備、國防以及石油天然氣等行業(yè)得到了廣泛使用。
結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法的主要思想是在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求材料的最優(yōu)分布問題。在優(yōu)化過程中，給定的設(shè)計(jì)區(qū)域一般保持不變，而微結(jié)構(gòu)的孔洞大小可以變化，如某一部分區(qū)域的微結(jié)構(gòu)全部為孔洞，則這部分區(qū)域便被從設(shè)計(jì)區(qū)域上“移走”，從而形成一個(gè)大孔洞曰反之，如部分區(qū)域上微結(jié)構(gòu)孔洞全部消失，則這部分區(qū)域上便組成“實(shí)在結(jié)構(gòu)”。這樣初始設(shè)計(jì)均勻分布在設(shè)計(jì)區(qū)域上的材料便重新分布，形成新的結(jié)構(gòu)形式，得到結(jié)構(gòu)在一定條件下的最優(yōu)拓?fù)�。通常使用的拓�(fù)鋬?yōu)化算法有均質(zhì)法和變密度法，本文采用變密度法。
變密度拓?fù)鋬?yōu)化法是在設(shè)計(jì)區(qū)域設(shè)計(jì)了密度可變的虛擬材料，以單元的相對密度籽作為設(shè)計(jì)變量，籽的取值在0~1 之間。以ρ= 0表示該處是空洞，不需要填充材料：ρ= 1表示該處是實(shí)體，需要保留材料。優(yōu)化中出現(xiàn)的介于0和1中間密度材料，通過懲罰因子進(jìn)行處理，盡量縮小其區(qū)域范圍，在最終的優(yōu)化結(jié)果中，設(shè)置相對密度的一個(gè)閾值，在密度值小于閾值處顯示為無材料區(qū)域，而密度值大于或者等于閾值的區(qū)域顯示為有材料區(qū)域。
3 油底殼有限元模型建立及模態(tài)分析
基于HyperWorks 的有限元模型建立流程如圖1所示。
圖1 HyperWorks有限元分析流程
3.1 油底殼模型的導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分及質(zhì)量檢查
本文所研究的是一臺(tái)90°夾角V8車用柴油機(jī)，四沖程，增壓中冷，額定轉(zhuǎn)速為2400r/min，缸徑和行程分別為130mm和145mm。采用I-DEAS軟件對該柴油機(jī)的油底殼建立幾何模型，利用I-DEAS和HyperWorks軟件間的接口，將油底殼幾何模型導(dǎo)入。由于模型中圓孔、倒圓角的存在會(huì)影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，故對模型進(jìn)行了合理的簡化。利用HyperWorks中幾何清理功能，將導(dǎo)入模型中存在的自由邊、重復(fù)面(邊)、缺面等錯(cuò)誤進(jìn)行修改和清理。油底殼的幾何模型如圖2所示。
圖2 油底殼幾何模型圖
采用單元尺寸1~5mm的四面體單元對集合模型進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，對模型細(xì)小處及突變面使用網(wǎng)格加密和單元過度功能，網(wǎng)格劃分結(jié)果得到270438個(gè)單元。對于油底殼的有限元模型中質(zhì)量差的單元，使用HyperWorks中網(wǎng)格質(zhì)量檢查功能，對所有單元的長寬比、塌陷值、雅可比值等特征進(jìn)行檢查，不合格單元予以修正。油底殼有限元模型如圖3所示。
圖3 油底殼有限元模型
3.2 油底殼約束模態(tài)分析
由于油底殼與柴油機(jī)機(jī)體之間采用螺栓連接，故在模態(tài)分析中，在油底殼上端與機(jī)體連接處施加全自由度約束，利用Optistruct對油底殼的有限元模型進(jìn)行約束模態(tài)計(jì)算，得到油底殼前5 階固有頻率淵注院由于對油底殼約束進(jìn)行了簡化處理，即采用全自由度約束，而且采用四面體四節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，故計(jì)算出的固有頻率值會(huì)偏高冤。前5階固有頻率及振型描述見表1。
表1 油底殼前5階固有頻率及振型
該發(fā)動(dòng)機(jī)的第1 階次激振頻率為160Hz，由于結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡化，故油底殼前4階固有頻率都大于發(fā)動(dòng)機(jī)的第1階激振頻率，第5階固有頻率由于迭代計(jì)算的原因，出現(xiàn)了頻率值較低的現(xiàn)象。
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