船用燃油分離器支架拓撲優化設計

周慶，彭景輝，王曉磊

（上海齊耀動力技術有限公司，上海 201203）

水下船受自身結構空間的限制，對船上設備重量及外形尺寸的要求都非常高，通常船用支架等的結構設計是通過經驗、工藝和安全余量來進行，未注意設備及支架本身結構的最優設計，進而導致多個設備及支架的累積起來的冗余重量影響著整個水下船設備模塊的重量，不利于整體水下船的性能和競爭力。

隨著我國整體的制造能力和設計能力的提升，越來越多的精細結構設計可以被加工出來并付諸應用，同時水下船設備及支架的設計水平也亟需提升，與時俱進，尤其在前期的設計開發階段，精細化設計直接影響到最終產品的性能。

本文通過正向設計，在下船用燃油分離器支架的前期設計階段，利用拓撲技術，以整體支架重量為優化目標，保證結構的整體剛性和強度的前提下，大幅度降低支架的重量。通過支架的拓撲優化設計給出類似產品的正向開發的基本思路，使類似船用產品在設計初期就把握住結構優化設計的大方向，提高產品的整體性能。文獻提出了優化設計理念，值得后續探究。

1 燃油分離器支架建模

采用Creo2.0軟件對燃油分離器支架進行建模，燃油分離器的底部與基座通過螺栓固定，燃油分離器的重量約5kg，側掛式安裝，通過螺栓固定在燃油分離器的支架上。船用燃油分離器支架三維模型如圖1所示。

船用燃油分離器支架在優化前的外形尺寸為：長×寬×高= 81mm×38.5mm×98mm；優化前重量為：0.252kg。

2 網格劃分

通過Mesh軟件，完成對船用燃油分離器支架三維模型所進行的網格劃分，由于考慮到拓撲優化能夠更精確，將最小網格寬度設為5mm，網格模型見圖2。

圖1 船用燃油分離器支架三維模型

圖2 支架網格模型

3 邊界條件設定

通過船用燃油分離器支架三維模型可以看出，支架底部和固定螺栓孔與基座固定，受固定約束，分離器固定通孔受船用燃油分離器重量的影響，上下兩個固定孔共受向下方向的力約50N。2個分離器固定通孔之間的大孔用來匹配燃油分離器，是工藝孔，該孔結構在優化時不能改動。

將上述邊界條件分析作為拓撲優化的輸入條件，將優化目標確定為減重50%。

4 拓撲優化計算

圖3是數值仿真軟件拓撲優化的計算結果，紅色區域為材料去除部分，中間藍色部分是指保留部分，利用拓撲優化軟件直接計算得到船用燃油分離器減重模型，并通過croe軟件完成去除材料后模型建模，如圖4所示。結構拓撲優化后重量由0.252kg減至0.135kg，減重0.117kg，減幅46.4%。

外形尺寸由×寬×高=81mm×38.5mm×98mm，減重長×寬×高= 65mm×38.5mm×98mm。

5 結語

本文對水下船用燃油分離器支架進行拓撲優化設計，根據實際的使用情況作為邊界條件，以減重50%為目標，在強度等性能不降低的前提下進行拓撲優化設計，最終重量由0.252kg減至0.135kg，取得了預計的結果。

圖3 拓撲優化后模型

圖4 拓撲優化后模型建模

提出在產品開發初期進行產品精細化設計，避免結構尺寸上冗余，為水下船上相關設備及支架等設計提供基本的設計思路。

后續將會有文章對本文拓撲優化前后的結果進行強度校核，因此本文只進行拓撲優化設計，不進行強度校核比較。