基于Tosca的油底壳振动性能条纹优化

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摘要： 发动机油底壳的振动噪声是发动机辐射噪声的主要来源，对其进行振动性能的优化具有积极意义.在传统的拓扑优化和形状优化设计中缺乏对油底壳振动响应特性的研究.基于tosca中的条纹优化技术，考虑表面振动速度响应对油底壳进行优化.结果表明优化后的设计方案的振动性能得到极大改善；条纹优化技术可以充分挖掘结构设计潜力，是一种非常有效的优化方法.

关键词： 油底壳； 条纹优化； 振动性能

中图分类号： TK421；TB115.1文献标志码： B

引言

油底壳是薄壁类零件，工作时在整机影响下会产生复杂的振动，其辐射噪声有时可占发动机总噪声的15%～22%[13].目前的研究主要针对油底壳的动力学特性，通过改善结构的动刚度或增加阻尼等措施抑制振动.因此，通过提高油底壳结构的刚度和调整结构固有频率等措施改善结构振动性能，对减振降噪有重要意义.

结构优化设计在油底壳的设计过程中已有广泛应用，如拓扑优化[45]、形状优化[6]和结构参数化优化[7]等.通常在优化过程中仅考虑刚度和固有频率的性能，很少有拓扑优化和形状优化等对振动特性的研究.

油底壳通常由薄钢板冲压成型或铝合金高压铸造，相较而言铝合金油底壳强度高，NVH性能好，但是成本也相对较高.[8]本文采用Tosca软件中的条纹优化技术（由德国卡尔斯鲁厄大学制造发展协会（IPEK）对金属板壳结构开发），通过布置条纹的凸起形式，提高其刚度和固有频率或者降低噪声和振动.在研究中考虑油底壳的振动响应特性，通过在油底壳底面上布置条纹的凸起形式改善其动力学特性，并且验证条纹优化技术对油底壳性能的提高有积极意义.

1油底壳初始设计方案

根据油底壳的结构特点，选择三角形和四边形的壳单元进行模拟，在与机体相连的螺栓孔位置施加垂向的单位激励，见图1.由于1阶模态频率为1 420.52 Hz，因此在进行频率响应分析时，忽略对低阶频率区域的振动响应考察，仅分析1 200～2 400 Hz范围内的振动响应.图1中圈出区域内的节点位置作为频率响应分析的研究域.

图 1油底壳有限元模型

初始方案在所分析频域内的振动速度响应曲线见图2，可知，在2 200 Hz后，速度响应快速增大，需要对其进行优化设计，以降低其振动响应.

图 2初始方案振动速度频率响应

2优化问题定义

根据油底壳初始方案的分析结果，需要提高该设计方案的结构刚度，降低其在中频段的振动响应，从而减少噪声的来源.首先选择油底壳的底面和侧壁区域作为条纹优化的设计区域，图3所示为底面区域，该区域内节点的法向位移作为设计变量的约束条件，并设定其法向位移的绝对值为5 mm.图 3条纹优化底面设计区域

将分析频域内振动速度的峰值最小化，作为优化设计的目标函数，见图4.

3优化结果

经过Tosca 25次的条纹优化迭代，最终推荐如图6所示的条纹布局方案.表面振动速度响应的整个优化历史见图7，在迭代到第10步时基本找到最优方案.

图 6几何光顺后的油底壳模型

图 7振动响应优化历史

将最优方案与初始方案进行比较，表面振动速度响应优化前后对比见图8，油底壳底面的振动速度响应有很大的改善，表面分析点的速度和为1.22E-8，较初始方案减小3.03E-7，降低96.11%；同时，2阶模态频率为2 908 Hz，较初始方案提升14.6%，其振型见图9.

图 8表面振动速度响应优化前后对比图 9条纹优化后2阶模态振型

条纹优化的设计结果中，某些凸起部位并不能完全符合设计制造工艺要求，且不方便加工，经过二次设计后的模型见图10.对新设计的模型进行方案验证，通过对底面中心位置振动速度响应的优化前后比较（见图11），振动响应有很大的改善.

图 10油底壳二次设计模型

图 11中心点位置振动响应优化前后比较

4结束语

采用条纹优化技术对某油底壳的振动响应速度进行优化，结果表明通过条纹优化能很好地挖掘结构优化潜力，改善结构性能.在二次模型设计后，结构更加满足制造要求，并且不损失性能，在实际研究中具有广阔的应用前景.

参考文献：

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[8]倪伟. 发动机油底壳的设计探讨[J]. 内燃机与动力装置， 2012（2）： 5153.