CN107178401A - 一种基于cae技术的柴油机油底壳优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法，其包括如下步骤：（1）对原有柴油机油底壳进行模态分析，将仿真与实验进行对比；（2）根据步骤（1）中的得到的分析结果，采用六种方案对油底壳进行结构上的优化。本案通过有限元的方法对原有油底壳进行结构上的优化，并与实验进行对比分析，在原有基础上提出了六种改进措施，将原有油底壳的一阶模态提高了105HZ，改善了原有油底壳的刚度。

Description

一种基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法

技术领域

本发明属于柴油机油底壳优化制造技术领域，具体涉及一种基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法。

背景技术

油底壳是曲轴箱的下半部，又称为下曲轴箱。作用是封闭曲轴箱作为贮油槽的外壳，防止杂质进入，并收集和储存由柴油机各摩擦表面流回的润滑油，散去部分热量，防止润滑油氧化。

油底壳作为发动机上的典型薄壁零件，链接在曲轴箱底部，发动机曲轴系的激励通过曲轴箱，在机体下部对油底壳产生振动冲击的作用，而油底壳的刚度相对较小且平面面积大，其表面将产生剧烈的振动，且振动频率主要集中在中低频段，对外产生较大的辐射噪声。

传统的油底壳降噪总是依靠经验和实验台架的方法，技术人员通常采用加筋或减小油底壳表面积的措施来增加油底壳的刚度，减小油底壳的辐射噪声。当采用添加加强筋的方法时，技术人员只能通过以往的经验来设计，再通过试验的手段来检测，无法准确预测其降噪效果，其弊端就是每一次的结构改变都需要重新设计模具，设计周期长、效率低、开发成本高，难以适应市场对产品多样化的要求。而油底壳表面积减小必将导致盛油量的减小，这样会影响曲轴曲拐和连杆大头的润滑效果，如果两者不能完全浸入润滑油内，寿命将会大大降低。

发明内容

本发明提出了一种基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法，通过对原设计的柴油机油底壳进行有限元分析，根据分析结果对原有设计进行参数修改，最终获得满足要求的油底壳结构。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法，其包括如下步骤：

（1）对原有柴油机油底壳进行模态分析，将仿真与实验进行对比；

（2）根据步骤（1）中的得到的分析结果，采用六种方案对油底壳进行结构上的优化。

在本发明的基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法中，所述模态分析具体包括如下步骤：

（1）油底壳外形复杂，具有很多倒角和小面，为保证分析的准确性，减少网格划分时间，将油底壳在hypermesh中进行倒角删除、合并小面等操作；

（2）由于油底壳是薄壳体，所以需要对其进行中面抽取；

（3）采用三角形网格划分，网格总数控制在10W左右，为了能够更好地捕捉几何特征，采用依据面的曲率的方法划分网格，最大网格6mm，最小网格2mm；

（4）油底壳壳体上部通过多个螺栓与发动机缸体相连，由于螺栓区域较多，且有预紧力，在ansys workbench中对油底壳上表面采用固定约束；

（5）油底壳内部含有机油，模态的求解需要固体域和流体域一起求解，在workbench中通过添加命令进行模态计算；

（6）在台架上进行模态试验，将仿真数据和试验数据进行对比。

在本发明的基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法中，采用内凸台的方法对油底壳进行优化，所述六种方案如下：

方案一：油底壳内表面的加强筋用部分长方形筋代替；

方案二：油底壳内腔保留部分原有加强筋，剩余部分用长方形筋代替；

方案三：在方案二的基础上，将剩余部分的条状加强筋用长方形加强筋代替；

方案四：原有油底壳内表面的加强筋全部用长方形加强筋代替；

方案五：在方案四的基础上，将加强筋分成水平距离为40mm的两部分；

方案六：在方案四的基础上，将加强筋分成水平距离为58mm的两部分。

实施本发明的这种基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法，具有以下有益效果：通过有限元的方法对原有油底壳进行结构上的优化，并与实验进行对比分析，在原有基础上提出了六种改进措施，将原有油底壳的一阶模态提高了105HZ，改善了原有油底壳的刚度。本方法最终形成优化设计标准流程，并可对系列化产品实现仿真优化设计。

附图说明

图1为原柴油机油底壳的结构示意图；

图2为方案一优化后的柴油机油底壳结构示意图；

图3为方案二优化后的柴油机油底壳结构示意图；

图4为方案三优化后的柴油机油底壳结构示意图；

图5为方案四优化后的柴油机油底壳结构示意图；

图6为方案五优化后的柴油机油底壳结构示意图；

图7为方案六优化后的柴油机油底壳结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在现代工程领域，利用CAE技术可以在零件设计阶段对结构进行校核、优化，使工程师在产品未生产之前就对设计的经济性和安全性进行评估。因此，对油底壳进行有限元分析是很有必要的，在设计初期确定油底壳各阶阵型分布，进而对其进行结构上的改进和优化，改善其NVH性能，为油底壳的设计提供有效的依据和思路。

本发明的目的是利用计算机仿真技术结合振动试验测试技术对油底壳的模态、振动以及噪声进行分析，对油底壳的改进提供有效的依据和思路。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：

（A）一种对柴油机油底壳进行形状优化的方法，该方法先对原设计的柴油机油底壳进行有限元分析，根据分析结果对原有设计进行参数修改，最终获得满足要求的油底壳结构。其前处理具体操作步骤如下：

1、油底壳外形复杂，具有很多倒角和小面，为保证分析的准确性，减少网格划分时间，将油底壳在hypermesh中进行倒角删除、合并小面等操作。

2、由于油底壳是薄壳体，所以需要对其进行中面抽取。

3、采用三角形网格划分，网格总数控制在10W左右，为了能够更好地捕捉几何特征，采用依据面的曲率的方法划分网格，最大网格6mm，最小网格2mm。

4、约束条件：油底壳壳体上部通过多个螺栓与发动机缸体相连，由于螺栓区域较多，且有预紧力，在ansys workbench中对油底壳上表面采用固定约束。

5、油底壳内部含有机油，模态的求解需要固体域和流体域一起求解，具体操作如下所示：

（1）固体和流体区域使用3D实体建模，导入DM后应在一个part内，即实现流体域和固体域共节点。

（2）为提高计算精度，固体采用高阶单元，流体域采用六面20节点Fluid220单元或10节点Fluid221单元。

6、在workbench中无法直接进行湿模态计算，需添加部分命令实现此功能。主要是设置流体单元类型及流体材料属性。其主要设置如下：

(1) 对流体域（体）进行命名（Named Selection），命名为Fluid_volume；

(2) 对流固交界面（面）进行命名，命名为FSI_interface；

(3) 在求解设定位置，右键插入command，粘贴下述命令流。

命令流：

!注意右下角所选单位系

!机油密度

Dens_Fluid=910

!机油声速

Sonc_Fluid=1500

!进入前处理

/prep7

!提取最大材料号,方便添加一种新材料

*GET,nmaxmat, MAT,0,NUM,MAX

!在原有的最大材料号上加1，以赋予新材料

nmaxmat=nmaxmat+1

!定义新加材料的密度及声速

mp,dens,nmaxmat,Dens_Fluid

mp,SONC,nmaxmat,Sonc_Fluid

!定义流体区域为fluid221

!更改材料属性为新建材料

!选择命名的流体域(体)

cmsel,s,Fluid_volume

!更改其材料号为新定义材料号

EMODIF,all,MAT,nmaxmat

allsel

!提取最大单元类型号,方便更改为流体单元

*GET,nmaxtype,ETYP,0,NUM,MAX

nmaxtype=nmaxtype+1

!定义新的单元类型，fluid221，高阶流体四面体单元

et,nmaxtype,221

cmsel,s,Fluid_volume

!更为为新的单元类型

EMODIF,all,TYPE,nmaxtype

allsel

/solu

!添加FSI交界面,选择之前定义好的流固交界面命名FSI_interface

cmsel,s,FSI_interface

!添加FSI边界条件

SF,all,FSI

Allsel

（B）在台架上进行模态试验，将仿真数据和试验进行对比。具体操作步骤如下：

1、安装模态分析，油底壳安装在发动机上，冷机状态下注入机油。

2、从对比结果看，计算结果与试验结果基本一致，我们可以依据计算的结果进行优化。

（C）采用以下六种方案对油底壳进行优化对比。

本发明通过有限元的方法对原有油底壳进行结构上的优化，并与实验进行对比分析，在原有基础上提出了六种改进措施，将原有油底壳的一阶模态提高了105HZ，改善了原有油底壳的刚度。本发明的方法最终形成优化设计标准流程，并可对系列化产品实现仿真优化设计。至此，本发明目的得以完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对原有柴油机油底壳进行模态分析，将仿真与实验进行对比；

（2）根据步骤（1）中的得到的分析结果，采用六种方案对油底壳进行结构上的优化。

2.根据权利要求1所述的基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法，其特征在于，所述模态分析具体包括如下步骤：

（1）油底壳外形复杂，具有很多倒角和小面，为保证分析的准确性，减少网格划分时间，将油底壳在hypermesh中进行倒角删除、合并小面等操作；

（2）由于油底壳是薄壳体，所以需要对其进行中面抽取；

（3）采用三角形网格划分，网格总数控制在10W左右，为了能够更好地捕捉几何特征，采用依据面的曲率的方法划分网格，最大网格6mm，最小网格2mm；

（4）油底壳壳体上部通过多个螺栓与发动机缸体相连，由于螺栓区域较多，且有预紧力，在ansys workbench中对油底壳上表面采用固定约束；

（5）油底壳内部含有机油，模态的求解需要固体域和流体域一起求解，在workbench中通过添加命令进行模态计算；

（6）在台架上进行模态试验，将仿真数据和试验数据进行对比。

3.根据权利要求1所述的基于CAE技术的柴油机油底壳优化方法，其特征在于，采用内凸台的方法对油底壳进行优化，所述六种方案如下：

方案一：油底壳内表面的加强筋用部分长方形筋代替；

方案二：油底壳内腔保留部分原有加强筋，剩余部分用长方形筋代替；

方案三：在方案二的基础上，将剩余部分的条状加强筋用长方形加强筋代替；

方案四：原有油底壳内表面的加强筋全部用长方形加强筋代替；

方案五：在方案四的基础上，将加强筋分成水平距离为40mm的两部分；

方案六：在方案四的基础上，将加强筋分成水平距离为58mm的两部分。