李欢，胡昌良

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于拓扑优化的发动机油底壳设计研究

李欢，胡昌良

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

以某发动机油底盘为研究对象，对其进行拓扑优化，以期最大程度提升其一阶约束模态频率，同时满足生产制造工艺的要求。拓扑优化采用OptiStruct软件，通过对油底盘3D模型划分限元网格、选定优化区域，并设定加强筋和优化参数，经优化计算得到合理的加强筋布置结构。优化后的油底盘刚度得到大幅提升，模态频率增大了约54%，取得了较好的优化效果。

油底盘；拓扑优化；模态

概述

随着汽车工业的发展，安全性和耐久性已成为汽车部件最为基本的要求，而考虑到驾乘人员感受的舒适性越来越受到重视。NVH作为衡量舒适性的关键指标，在产品开发中的地位也愈发重要。发动机的油底盘主要用来盛放发动机润滑机油，其一般为薄壁平板结构，是发动机的主要噪声源，对发动机的 NVH有较大的贡献。目前油底盘的设计主要考虑系统的密封性，设计的随意性比较大，常常带来较为严重的NVH问题，影响发动机产品的品质。油底盘的优化主要通过合理布置加强筋来提升其刚度和频率，从而减少其辐射噪声。本文应用拓扑优化的方法对某发动机油底盘进行优化，通过优化加强筋的布置，提升盖板的模态频率，从而达到降低辐射噪声的目的。

1 拓扑优化方法简介

拓扑优化的基本原理是在一个给定的设计空间里寻求材料的合理分布方式，得到某一变量的极值。拓扑优化的主要方法包括变密度法、渐进结构优化方法和水平集方法等[1]。目前以变密度方法应用最为广泛，尤其在汽车领域得到了很大的推广。本文中对发动机油底盘的优化也采用变密度法。变密度法是根据均匀化方法得到的一种有效的结构优化方法，其不引入微结构，而是赋予单元0-1的假想密度，通过不断迭代的过程，保留密度大的单元，删除密度小的单元，从而得到最终的优化区域。

同其它类型优化方法一样，拓扑优化是寻找参数最佳设定以满足一定数目约束下的特定目标最大化（最小化或趋近设定值）。在数学上可以归结为如下问题：

其中F(xi)是优化目标函数，本文中是以油底壳频率为最大目标。

g(xi)是约束方程组。

x是设计变量，密度法中即设计空间中单元的密度，取值范围为(0,1]。

2 油底盘有限元模型

拓扑优化的第一个步骤就是定义优化区域（即可以进行优化的部位），也就是前面提到的设计空间。在网格制作模型的过程中，需要把一个部件上能够优化的部位和不能优化的部位要分开，对需要优化的部分定义单独的单元集合，指定为设计区域。设计区域的网格尺寸需要综合考虑计算规模和优化效果，不能过小也不能过大，一般要求处于特征尺寸的1/2~1/5即可。

油底盘设计首先根据发动机在整车上的布置和润滑系统需求的润滑油量定义好其外形尺寸，基础结构按基本壁厚设计，不用设计加筋结构，此部分是不进行优化部位。内部空间则需要避开与其它部件的干涉，据此定义好设计空间，如下图所示，其中蓝色为基础结构，黄色为优化空间。三维模型采用Pro/E完成。

图1 油底盘优化几何结构

对以上几何模型划分网格，蓝色区域网格尺寸设定为3~4mm。根据铸造要求，最小筋厚度为5mm，因此设定优化区域网格尺寸为2mm。整个模型总共划分32000多个单元。

图2 有限元网格

油底盘材料为铝合金，其弹性模量为 69GPa，泊松比0.33，密度为2710kg/m3。考虑到油底盘实际安装状态，将油底盘与发动机缸体安装面进行约束。

3 油底盘拓扑优化

拓扑优化的流程如下图所示，计算软件采用 Altair Hyperworks。

图3 拓扑优化流程图

优化目标即优化的方向，一般目标是某变量最大或最小，如质量m最小、频率f最大等[2]。油底盘拓扑优化目标定义为一阶模态频率f1最大。

最后根据制造工艺还可以定义筋的样式，包括筋宽w、筋高h、起筋角度θ和起筋方向等[3]。

经过多轮次迭代计算得到优化结果如图4所示。可以看出拓扑优化得到是一个比较粗略的材料分布结果，优化完成后还需要对优化的节点进行曲面重构，得到满足工艺要求的优化结构如图5。

图4 拓扑优化结果

图5 最终三维模型

4 结果分析

对未加筋和拓扑优化加筋方案进行模态分析，比较其一阶模态频率结果。

图6 未加筋一阶模态

图7 拓扑优化方案一阶模态

优化前油底盘的一阶模态频率值为971Hz，优化后为自由筋为 1503Hz，较优化前提升了 532Hz（54%），能够大大减小结构的响应，降低 NVH值，同时达到企业的内部评价标准。可见通过拓扑优化合理布置筋的位置对提高盖板模态频率能起到了较好的效果。

5 结语

拓扑优化方法是一种高效便捷的结构设计优化方法，通过设定合理的优化区域和工艺控制参数，就能够快速得到能满足制造需求的优化结构模型，避免了仅依据设计经验而进行的盲目设计。文中对某发动机油底盘进行形貌优化分析，得到了满足工艺要求的结构，优化后油底盘一阶频率提升54%，取得了较为满意的结果。此次分析旨在表明优化技术是提升产品品质的有力手段，在设计开发中具有广泛的应用前景。

[1] 姜立嫂.FSC 赛车车架结构动态特性分析与优化设计[D]．北京信息科技大学,20 13.

[2] HyperWorks Desktop User Guides [P] ， version13.0.

[3] 季学荣,丁晓红. 基于拓扑和形貌优化的汽车发动机罩板设计[J].机械设计与研究,2011（2）：35 – 38.

Research on the design of engine oil sump based on topology optimization

Li Huan, Hu Changliang
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

taking a certain engine oil chassis as the research object, and on the topology optimization, in order to ascend to the greatest extent one order constraint modal frequency, at the same time satisfy the requirement of manufacture craft.Topology optimization using OptiStruct software, through to the oil chassis 3 d model grid division limit, the selected optimization area, and set to strengthen and optimize the parameters, reasonable stiffener layout structure is calculated by optimization. The optimized oil chassis stiffness was greatly improved, and the modal frequency increased by about 54%,and the optimized results were achieved.

oil chassis; Topology optimization; The modal

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-25-03

U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-25-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.009

李欢，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。