前言

　　在當前的工業(yè)設(shè)計中，優(yōu)化設(shè)計理論和方法得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，成為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短設(shè)計周期的強有力手段之一。

　　所謂優(yōu)化設(shè)計是指根據(jù)具體的工程問題建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，并采用一定的最優(yōu)化方法，找出既滿足約束條件、又可達到最優(yōu)目標函數(shù)的設(shè)計方案。根據(jù)優(yōu)化問題的初始設(shè)計條件，目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾大領(lǐng)域：

　　●尺寸優(yōu)化( sizing optimization)

　　●形狀優(yōu)化 (shape optimization)

　　●拓撲與布局優(yōu)化(topology optimization)

　　●結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化

　　通常結(jié)構(gòu)優(yōu)化的流程圖如圖1所示。

　　圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖

　　在工程實際中應(yīng)用較為廣泛的是尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓撲與布局優(yōu)化。本文將給出幾個SAIC MOTOR運用OptiStruct的優(yōu)化設(shè)計實例，闡述結(jié)構(gòu)優(yōu)化在發(fā)動機設(shè)計中的具體應(yīng)用。

　　1 優(yōu)化實例

　　1.1 渦輪增壓器支架的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

　　尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)拓撲確定的前提下，用少量的尺寸對結(jié)構(gòu)某些變動進行表達，然后在此基礎(chǔ)上建立基于這些尺寸參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并采用優(yōu)化方法對該模型進行求解，從而得到最優(yōu)的尺寸參數(shù)。

　　1.1.1 問題描述

　　某發(fā)動機需設(shè)計渦輪增壓器支架，以提高增壓系統(tǒng)的特征頻率，減小發(fā)動機工作過程中的振動水平。結(jié)合工程實際，初步確定了支架的主要截面形狀和約束，見圖2所示。該支架將采用沖壓工藝生產(chǎn)，鈑金原始厚度3mm，期望確定最優(yōu)支架厚度。

　　圖2 渦輪增壓器結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.1.2 優(yōu)化及結(jié)果討論

　　為圖2所示結(jié)構(gòu)建立有限元模型——排氣歧管、渦輪增壓器(包含壓氣機)以及排氣尾管采用高階體單元劃分網(wǎng)格;支架采用殼單元劃分網(wǎng)格;螺栓及發(fā)動機主體結(jié)構(gòu)采用剛性單元模擬。為有限元模型施加正確的位移約束，定義模態(tài)載荷步進行試算，提取系統(tǒng)的特征頻率，確定使用3mm厚度的支架時系統(tǒng)剛度高于設(shè)計目標。然后定義桿身部分為設(shè)計空間，建立合適的響應(yīng)、約束及優(yōu)化目標，提交OptiStruct求解器進行優(yōu)化計算，計算收斂后通過后處理發(fā)現(xiàn)，桿身厚度從初始的3mm設(shè)計下降至2.505mm即可滿足設(shè)計要求，優(yōu)化后的1階模態(tài)位移云圖如圖3所示。

　　圖3 優(yōu)化后的1階模態(tài)位移云圖

　　通過振動測試，該設(shè)計滿足振動要求。目前該設(shè)計已進入工裝樣件耐久試驗驗證階段。

　　1.2 二次空氣泵支架的拓撲優(yōu)化

　　拓撲優(yōu)化設(shè)計是在給定的材料和設(shè)計域內(nèi)， 通過優(yōu)化設(shè)計方法可得到既可滿足約束條件又使目標函數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局形式及構(gòu)件尺寸。

　　1.2.1 問題描述

　　某二次空氣泵支架概念設(shè)計如圖4所示。初步的模態(tài)計算表明，該概念設(shè)計振動特性不能滿足設(shè)計要求，且在虛擬裝配過程中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)與相鄰零部件存在較高的干涉風(fēng)險，需要在提高其振動特性的同時避免干涉問題。

　　圖4 某二次空氣泵支架概念設(shè)計

　　1.2.2 優(yōu)化及結(jié)果討論

　　為提高該支架的振動特性，在概念設(shè)計方案兩側(cè)添加肋板，使支架形成空箱結(jié)構(gòu)，如圖5所示。經(jīng)試算，在添加兩側(cè)肋板后，支架的基頻提高206%，但是支架左側(cè)肋板使得干涉現(xiàn)象更為突出。

　　圖5 添加兩側(cè)肋板的二次空氣泵支架

　　將兩側(cè)肋板定義為設(shè)計空間，并為定義合適的約束、響應(yīng)以及優(yōu)化目標，提交OptiStruct求解器進行優(yōu)化計算，得到如圖6所示的單元密度分布云圖。

　　圖6單元密度分布云圖

　　如圖6(a)，將云圖顯示閾值設(shè)置為0.3時，可知左側(cè)肋板靠近基座處的材料對于保持系統(tǒng)剛度更具有實際意義，進一步提高顯示閾值至0.5后，如圖6(b)，圖中殘留的肋板材料對保持系統(tǒng)剛度具有重要意義，同時又可以避免干涉。

　　針對圖6(b)所示的方案，加入人工設(shè)計經(jīng)驗，規(guī)整化重新建模如圖7所示，經(jīng)模態(tài)計算，該方案滿足設(shè)計要求。

　　圖7 規(guī)整化設(shè)計的1階模態(tài)位移云圖

　　該設(shè)計已制造樣件，并順利通過振動測試和耐久考核。

　　1.3 懸置支架的拓撲優(yōu)化

　　1.3.1 問題描述

　　某發(fā)動機需要設(shè)計前懸置支架。對于前懸支架，通常有較高的動剛度要求和強度要求，以保證發(fā)動機的振動特性和可靠性。已知該前懸支架的可用連接位置和最大設(shè)計空間，如圖8所示，希望通過拓撲優(yōu)化得到滿足剛度/強度要求的最小質(zhì)量設(shè)計方案。

　　圖8 前懸置支架設(shè)計空間

　　1.3.2 優(yōu)化及結(jié)果討論

　　針對圖8所示的設(shè)計空間，進行首輪拓撲優(yōu)化，結(jié)果如圖9(a)所示。首輪優(yōu)化結(jié)果揭示了該支架的主要輪廓，結(jié)合工藝性要求，建立前懸支架概念設(shè)計方案，如圖9(b)所示。

　　圖9 首輪優(yōu)化結(jié)果

　　結(jié)合人工設(shè)計經(jīng)驗，在圖9(b)所示設(shè)計基礎(chǔ)上添加加強筋，以應(yīng)變能為響應(yīng)進行次輪優(yōu)化，結(jié)果如圖10所示。

　　圖10 次輪優(yōu)化結(jié)果

　　根據(jù)次輪優(yōu)化結(jié)果，在支架底板上去除部分材料以達到去重目的，如圖11(a)所示。根據(jù)應(yīng)變能分布云圖，發(fā)現(xiàn)位于三個螺栓搭子之間的下側(cè)三角形箱型結(jié)構(gòu)對支架強度貢獻極低，因此人工去除最下側(cè)的加強筋，如圖11(b)所示。結(jié)合制造工藝性考慮，最終設(shè)計結(jié)果如圖11(c)所示。

　　圖11 最終優(yōu)化結(jié)果

　　通過幾輪優(yōu)化，獲得的最終設(shè)計方案相對于初始設(shè)計方案，該前懸支架質(zhì)量下降26.6%，基頻提高12.7%，同時在重量和模態(tài)上獲得明顯收益。目前該設(shè)計已在市場上銷售，市場反應(yīng)良好。

　　1.4 PAS泵支架的拓撲優(yōu)化

　　1.4.1 問題描述

　　某發(fā)動機PAS泵支架原始設(shè)計如圖12所示，在試驗過程中該支架頻繁發(fā)生斷裂故障，經(jīng)過有限元分析，發(fā)現(xiàn)該支架存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，且除失效位置以外，還存在其它的潛在失效高風(fēng)險區(qū)域，見圖13。該支架需重新設(shè)計，要求解決當前失效問題，同時消除潛在的失效風(fēng)險。

　　圖12 原始設(shè)計

　　圖13 原始設(shè)計強度校核結(jié)果

　　1.4.2 優(yōu)化和結(jié)果討論

　　在PAS泵支架最大可用設(shè)計空間內(nèi)建立有限元模型，見圖14(a)，根據(jù)實際的工作情況，施加相應(yīng)的約束和載荷，以應(yīng)力為響應(yīng)進行優(yōu)化計算，得到應(yīng)力分布云圖和優(yōu)化后的拓撲，見圖14(b)及(c)。

　　圖14 PAS泵支架拓撲優(yōu)化

　　根據(jù)拓撲優(yōu)化的結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計方案見圖15。針對兩種不同的設(shè)計方案，分別進行強度校核，兩者均可滿足設(shè)計要求。方案2中的最高應(yīng)力約為方案1中最高應(yīng)力的60%，但零件質(zhì)量卻為方案1設(shè)計的126.3%，即，方案2存在過設(shè)計，因此，采用優(yōu)化設(shè)計方案1作為最終方案。

　　圖15 兩種優(yōu)化設(shè)計方案

　　圖15(a)所示的設(shè)計目前已投入生產(chǎn)并投放市場，反應(yīng)良好。

　　2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化在發(fā)動機設(shè)計中其它應(yīng)用

　　前文所列舉的案例均為支架類零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。支架類零件的特點是：

　　●結(jié)構(gòu)多樣性。這導(dǎo)致不同的機型和子系統(tǒng)之間很難相互照搬套用，因此有必要采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化為設(shè)計提供指導(dǎo);

　　●邊界條件易于確定。如較易獲取準確的設(shè)計空間、約束、工作載荷等，并可方便的將相應(yīng)的邊界施加于有限元模型中。這有利于構(gòu)造相對精確的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型;

　　●優(yōu)化結(jié)果在試驗中易于驗證。

　　除了支架類零件以外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在發(fā)動機設(shè)計中還有著其它廣泛的應(yīng)用范圍，如：

　　●罩殼類零件的形貌優(yōu)化;

　　●下群架(主軸承蓋)的拓撲優(yōu)化;

　　●機體群部的拓撲優(yōu)化;

　　●機體/缸蓋/歧管等關(guān)鍵零部件的局部形狀優(yōu)化等等。

　　3 結(jié)語

　　OptiStruct是強大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具之一，結(jié)合HyperWorks豐富的前后處理功能，可讓設(shè)計者快速實現(xiàn)優(yōu)化對比，找到相對最優(yōu)設(shè)計。在發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用OptiStruct獲得的優(yōu)化設(shè)計方案，可以起到很好的滿足設(shè)計要求，并為設(shè)計者提供必要的指導(dǎo)。

　　目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在發(fā)動機設(shè)計中的作用體現(xiàn)的日益重要，正在成為一個新的熱點。靈活運用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，可以為設(shè)計者指明設(shè)計方向，在較短時間內(nèi)帶來較優(yōu)設(shè)計，降低了對設(shè)計者經(jīng)驗的依賴度，同時縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計風(fēng)險。