基于OptiStruct形貌优化分析技术的商用车发动机油底壳设计方法

耿广锐1   郎宝永2   陈世明3
东风商用车技术中心  武汉 430056 

摘要：商用车发动机在怠速和工作中会产生较大的振动和噪声，与其相关零部件的振动特性就显得尤为重要。为了降低发动机油底壳辐射噪声以及达到轻量化的目的，设计中考虑将油底壳材料由钢换成塑料，本文运用Altair公司的OptiStruct结构优化分析软件对某型号发动机塑料油底壳进行了模态及形貌优化分析，并根据优化分析结果确定了塑料油底壳加强筋最佳布局方式，最终使其性能达到最好。

关键词：油底壳, 优化分析, 形貌优化, 加强筋, 设计频率

1引言

现代汽车设计对减重和降低成本的需求越来越高，以往商用车用的发动机油底壳材料一般都为钢或铸铝，而目前国外先进的汽车制造商越来越倾向于塑料油底壳的研发和生产。塑料油底壳不仅可以减少模具制造的费用，而且也省略了铝合金油底壳压铸后的机械加工工序，其生产成本应比铝合金油底壳低30%～40%。另外，塑料油底壳还因为集成了油道、吸油管、机油过滤器、单独的备用油口和防溅板等，进一步减少了空间占用、生产制造费用和装配费用。

结构优化分析技术是一项新兴的设计方法，用于进行概念设计和精细设计。它分为拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化，且所有优化类型可以进行组合。它可以在方案设计阶段给出零部件甚至车身原型合理的材料布局，减轻结构重量，以及合理的确定零件的一些参数和形状。通过这项技术，企业能缩短设计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。国外针对汽车底盘、发动机等零部件的优化分析和设计的研究及应用都已经比较成熟。国内目前仍处于理论研究阶段，各汽车厂家也极少实际应用此项技术。而且当前优化的软件还不成熟，需要更多的研究和实例应用。目前汽车行业竞争激烈，国内国外各大厂家都在使用或者关注优化技术，期望通过它来提升产品的竞争力。优化分析技术必将在未来几年得到快速的发展。

形貌优化是一种形状最佳化的方法，它可以用来设计薄壁结构的强化压痕。用来减轻结构的重量，同时又能满足强度、频率等要求。设定优化步骤简单，只需要定义一个设计区域、装饰条的最大深度和拉伸角。同时考虑到可加工形，软件还提供了多种压痕成型方式。优化后的结果还可以用OSSmooth工具产生的几何数据输入到CAD软件中，进行二次设计。

以某商用车发动机塑料油底壳为研究对象，应用形貌优化分析方法对其加强筋进行了优化布局分析，最终使其满足设计要求。

2 结构模型化

根据发动机塑料油底壳结构特点划分单元时对油底壳基座采用四面体单元，对薄壁区域采用四边形板单元；模型划分单元尺寸定义为5mm，体单元128115个、板单元46187个、节点79758个；图1为塑料油底壳原始设计模型网格图。

3 计算载荷及工况

所用材料为复合材料SMC，泊松比μ=0.3，弹性模量E=11GPa，密度ρ=1.8×103Kg/M3。约束油底壳基座四周固定孔，计算其约束模态。

4 分析计算与结果

本次分析计算采用ALTAIR/HyperMesh9.0软件完成。图2为油底壳原始设计结构的前两阶模态振型图。