基于拓?fù)浞椒ǖ陌l(fā)電機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

涂 晴，張宏偉，申一方

基于拓?fù)浞椒ǖ陌l(fā)電機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

涂 晴1,2，張宏偉3，申一方1,2

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052；2.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330052；3.寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，陜西 寶雞 721000）

文章基于有限元對發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行模態(tài)分析，并采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對支架重新設(shè)計(jì)優(yōu)化。支架一階頻率為約束條件和支架體積分?jǐn)?shù)最小為目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果對支架重新設(shè)計(jì)和分析。采用拓?fù)浞椒ㄖ笇?dǎo)支架設(shè)計(jì)不僅使支架滿足模態(tài)目標(biāo)，同時(shí)達(dá)到輕量化目的。開發(fā)過程中拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)為零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路，縮短了開發(fā)周期和設(shè)計(jì)成本。

發(fā)電機(jī)支架；模態(tài)分析；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化

發(fā)電機(jī)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，發(fā)電機(jī)總成的安全性，強(qiáng)度以及噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能都特別重要。發(fā)電機(jī)支架起到承上啟下的作用，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，一方面要接受來自發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)源，另一方面還要承受發(fā)電機(jī)工作時(shí)本身產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)，發(fā)電機(jī)支架的模態(tài)、強(qiáng)度等性能對發(fā)電機(jī)總成的性能至關(guān)重要。在保證發(fā)電機(jī)支架性能的同時(shí)，也應(yīng)盡量減少支架重量，降低重量成本。發(fā)電機(jī)支架開發(fā)過程中運(yùn)用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和輕量化設(shè)計(jì)，確保支架可靠性同時(shí)能夠大幅縮短時(shí)間周期和各種研發(fā)成本，對其他相關(guān)零件開發(fā)具有指導(dǎo)意義[1]。

李嘉通等[2]實(shí)車過程中發(fā)現(xiàn)因壓縮機(jī)引起的怠速車內(nèi)噪聲問題，通過實(shí)測和仿真確認(rèn)是由于壓縮機(jī)總成一階模態(tài)過低導(dǎo)致，最后通過提高壓縮機(jī)支架剛度提升模態(tài)，最終有效解決了壓縮機(jī)導(dǎo)致的車內(nèi)噪聲問題。亓宗磊等[3]在發(fā)電機(jī)支架重新設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，利用有限元方法對支架進(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)安全裕度較大，且支架較重。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證支架性能的同時(shí)支架重量。周圍等[4]通過有限元方法先對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度和模態(tài)的仿真分析，再利用變密度法拓?fù)鋬?yōu)化法對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了性能提升和結(jié)構(gòu)輕量化。LI[5]事先定義響應(yīng)目標(biāo)和約束條件，通過拓?fù)鋬?yōu)化方法和仿真方法對結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了零件結(jié)構(gòu)的性能。陳思穎[6]運(yùn)用有限元方法對發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行了強(qiáng)度、模態(tài)的分析，通過分析結(jié)果找到薄弱區(qū)域，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

本文針對某柴油發(fā)電機(jī)支架在開發(fā)過程中設(shè)計(jì)的原支架方案在模態(tài)仿真分析時(shí)一階頻率不能滿足NVH目標(biāo)，采用變密度法以一階模態(tài)最低為約束條件，最小體積分?jǐn)?shù)最小為目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，依據(jù)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果并依據(jù)實(shí)際工程布置和工藝設(shè)計(jì)出新支架，重量較原支架減輕20%，一階頻率提升至175.8 Hz，滿足NVH模態(tài)目標(biāo)。

1 模態(tài)分析

采用HyperMesh前處理軟件網(wǎng)格劃分，對支架和發(fā)電機(jī)本體采用四面體網(wǎng)格劃分。支架材料為灰口鑄鐵HT250，發(fā)電機(jī)本體材料為鑄鋁，支架質(zhì)量6.0 kg，發(fā)電機(jī)本身重5.88 kg，劃分完成的發(fā)電機(jī)要保證質(zhì)量、質(zhì)心與實(shí)際一致，發(fā)電機(jī)總成如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)支架總成模型

安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的部件主要受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)影響，本文發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，激勵(lì)頻率計(jì)算如式（1）所示。通過發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速以及安全系數(shù)，本文柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速5 000 r/min，安全系數(shù)1.05，計(jì)算得到發(fā)電機(jī)支架總成頻率一階至少要滿足175 Hz。

因發(fā)電機(jī)總成是通過螺栓安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，為確保支架模態(tài)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，參與分析模型除支架本身以外，還應(yīng)包括發(fā)電機(jī)和周邊相關(guān)件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等。計(jì)算模型如圖2所示。MSC.Nastran軟件進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算分析，發(fā)電機(jī)支架一階模態(tài)頻率為173.8 Hz，略低于175 Hz目標(biāo)。為了降低后期實(shí)車發(fā)電機(jī)支架與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)響應(yīng)國家節(jié)能減排政策降低整車重量，對支架在滿足NVH性能前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，本文采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對支架進(jìn)行輕量化指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

圖2 計(jì)算模型圖

圖3 發(fā)電機(jī)支架一階模態(tài)陣型

2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化理論

拓?fù)鋬?yōu)化是一種常用的優(yōu)化手段，其本質(zhì)就是在給定的空間內(nèi)通過某種方法尋找最優(yōu)的材料分布。本文采用密度法[7]對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。對模型設(shè)定的單元密度作為設(shè)計(jì)變量，材料的單元密度與結(jié)構(gòu)材料有關(guān)，材料的單元密度在0～1之間連續(xù)取值。求解迭代結(jié)果中，當(dāng)材料單元密度接近1表示該區(qū)域很重要，當(dāng)材料單元密度接近0表示該區(qū)域材料可去除，最后通過拓?fù)浞椒梢员M可能使材料得到有效利用，在滿足目標(biāo)前提下結(jié)構(gòu)最輕。

在拓?fù)鋬?yōu)化過程時(shí)，需提前定義設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)約束，如下表達(dá)式：

式中，()為設(shè)計(jì)目標(biāo)；()、()為約束條件；X為設(shè)計(jì)變量。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化分析之前需要設(shè)定優(yōu)化和非優(yōu)化區(qū)域，支架通過4個(gè)螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體連接，因此，安裝孔的位置、尺寸、大小都不能改變，設(shè)定為非優(yōu)化區(qū)域，其余設(shè)定為優(yōu)化區(qū)域。如圖4所示。

圖4 初始優(yōu)化和非優(yōu)化區(qū)域

以一階模態(tài)頻率為約束，體積分?jǐn)?shù)最小為目標(biāo)函數(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型表達(dá)式：

式中，為體積分?jǐn)?shù)；為支架一階頻率；0為支架模態(tài)目標(biāo)。

設(shè)定體積的上限為0.3，最終支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖5所示，和區(qū)域表示材料密度接近1，需保留；區(qū)域表示材料密度接近0，可刪除。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可以很好地為支架工程師提供優(yōu)化位置參考。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

由于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果只是一個(gè)理論結(jié)果，不能直接用于工程數(shù)據(jù)制作，同時(shí)考慮工藝和布置，最終的新發(fā)電價(jià)支架如圖6所示。

圖6 新發(fā)電機(jī)支架

圖7 新發(fā)電機(jī)支架一階模態(tài)陣型

對新支架重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行模態(tài)仿真分析，模態(tài)分析結(jié)果顯示，發(fā)電機(jī)支架總成一階頻率為175.8 Hz，滿足設(shè)定的模態(tài)目標(biāo)。如圖7所示。新支架質(zhì)量為4.8 kg，原支架重量為6.0 kg，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化新設(shè)計(jì)出的支架減重1.2 kg，減重率達(dá)到20%。

3 結(jié)論

本文對發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對支架重新設(shè)計(jì)，最終模態(tài)結(jié)果顯示提升支架頻率，一階頻率滿足NVH目標(biāo)，同時(shí)支架減重20%，提升了產(chǎn)品競爭力。工程開發(fā)過程中運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)技術(shù)，不僅可以縮短零件的開發(fā)周期，還可以減少各種成本。本文的研究思路可以為其他零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 曾攀.有限元分析及其運(yùn)用[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2014.

[2] 李嘉通,向宇,靳江濤,等.某車型空調(diào)壓縮機(jī)支架NVH性能分析與優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(3):58-61.

[3] 亓宗磊,潘效龍.某柴油機(jī)發(fā)電機(jī)支架有限元分析及優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)及配件,2020(5):60-63.

[4] 周圍,李群明,高志偉,等.基于變密度法的送桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)送支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2021(4): 113-116.

[5] LI B T,LIU H L,YANG Z H,et al.Stiffness Design of Plate/Shell Structures by Evolutionary Topology Opti- mization[J].Thin-Walled Structures,2009(14):232-250.

[6] 陳思穎.基于有限元法的某發(fā)電機(jī)支架仿真分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018,43(22):57-59.

[7] 林丹益.一種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2018,34(3):179-181.

Analysis and Optimization Design of Generator Bracket Based on Topology Method

TU Qing1,2, ZHANG Hongwei3, SHEN Yifang1,2

( 1.Jiangling Auto Company Limited, Nanchang 330052, China;2.Jiangxi Vehicle Noise and Vibration Key Laboratory, Nanchang 330052, China;3.School of Mechanical & Electrical Information, Baoji Vocational & Technical College, Baoji 721000, China )

The paper has a modal analysis of diesel generator bracket on the finite element method, and the topology optimization technology is used to redesign and optimize the bracket. The first-order frequency is the constraint condition and the minimum volume fraction is the goal of topology optimization analysis, redesign and analysis of bracket base on optimization results. Using the topology method to guide the bracket design can not only meets the target, but also achieves light weight. Topology optimization technology provides ideas for component structure optimization design, reducesthe time of research and development.

Generator bracket; Modal analysis; Topology optimization; Lightweight

U461.4；TH122

A

1671-7988(2023)11-106-04

涂晴（1989－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)檎嘚VH仿真分析及優(yōu)化，E-mail:458192529@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.019