基于OptiStruct的发动机油底壳挡油板形貌优化设计

    1 概述

    当前对于薄壁钣金件，在材料成本不变的前提下要提高其固有频率和强度，最普遍采用的方法就是冲压加强筋。根据有限元分析结果对加强筋的布置方案进行改进往往只能凭借工程师的经验，得到的只是可行性设计而不是最优设计，这时就需要采用先进的优化理念与分析工具寻求最优化的设计。

    形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板型结构中寻找最优的加强筋分布的概念方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构重量的同时满足强度、频率等要求。与拓扑优化不同的是，形貌优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点的扰动生成加强筋。

    某发动机在台架试验进行274h后进行拆解，发现油底壳挡油板焊点脱落并发生撕裂（如图1所示），初步怀疑是其固有频率较低，与发动机激励频率发生共振所致。本文以此油底壳挡油板为分析对象，利用Altair公司的HyperMesh建立准确合理的有限元模型，应用OptiStruct求解并进行形貌优化，得到了最优的加强筋优化方案，并根据优化结果进行了针对性的结构改进，经验证后满足设计要求。

    图1 挡油板开裂位置图

    2 初始方案分析

    2.1 模型描述

    利用HyperMesh 对CAD 模型进行有限元模型的建立。挡油板（见图2）通过13个焊点固定在油底壳上，焊点采用CWELD单元模拟，油底壳及挡油板等均采用SHELL 单元进行网格划分，约束油底壳螺栓安装孔所有自由度（如图3所示），进行约束模态分析。

    图2 挡油板初始设计方案

    图3 有限元模型及约束示意图

    2.2 分析结果

    油底壳模态频率要求是：在最大可持续超速转速下，一阶固有频率fmin >1.414ffire 。在六缸发动机最大转速2550rpm 下，发动机三阶激励频率ffire为127.5Hz，所以系统的一阶固有频率要大于180.3Hz。

    分析结果显示，系统一阶固有频率为181.6Hz（如图4所示），表现为挡油板振动，稍高于六缸发动机隔振频率要求（180.3Hz）。但是数值较为接近，存在一定的风险，建议对挡油板进行加强以提升系统模态。

    图4 初始方案一阶模态振型图

    图5为初始方案一阶模态应变能密度云图，根据有限元分析结果可以给出几种加强方案：（1）增加挡油板与油底壳之间焊点数量；（2）挡油板厚度适当增加（从1mm增加至1.4mm）；（3）红圈所示部位挡油板增加加强筋。若想要在不增加焊点及板厚的情况下寻求最优化的加强筋方案，就需要进行形貌优化设计。