CN111723508A - 发动机正时罩盖轻量化cae分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，包括步骤：S1、建立正时罩盖初始方案有限元模型；S2、对正时罩盖初始方案有限元模型进行模态分析计算和频率响应分析计算；S3、对正时罩盖初始方案有限元模型进行振动响应优化；S4、建立正时罩盖的拓扑结构；S5、建立正时罩盖的1D壳单元模型并进行形貌优化；S6、基于振动响应优化及形貌优化结果云图，得到正时罩盖优化方案；S7、正时罩盖优化方案，建立正时罩盖优化模型，并进行模态、频率响应分析和局部优化校核。本发明的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，可以帮助设计人员在兼顾性能的前提下获得正时罩盖结构轻量化的设计方案，加快产品开发速度。

Description

发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法

技术领域

本发明属于发动机轻量化设计技术领域，具体地说，本发明涉及一种发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

目前，发动机作为当今的主要动力机械，人们在追求重量更轻、功率更大、振动噪声更小的发动机。而正时罩盖类的薄壁件作为发动机上最大的对外辐射噪声源，因此要具有较好的刚度和强度以降低正时罩盖的辐射噪声非常重要。

现有技术中正时罩盖的设计多采用类比或对标的方法，在正时罩盖结构出现振动大、噪声大等问题时，往往采取整体加强的办法，这使得发动机质量越加越大。同时，罩盖不同部位的结构应力状态差异较大，没有充分发挥材料的承载能力，不符合轻量化设计的要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，目的是实现兼顾正时罩盖辐射性能的前提下使得正时罩盖结构满足轻量化要求。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，包括步骤：

S1、建立正时罩盖初始方案有限元模型，所述正时罩盖初始方案有限元模型包括壳体部分和初始加强筋部分，所述初始加强筋部分填充在设计空间内，所述设计空间为所述正时罩盖初始方案有限元模型所在坐标系内允许布置加强筋的空间；

S2、对正时罩盖初始方案有限元模型进行模态分析计算和频率响应分析计算；

S3、对正时罩盖初始方案有限元模型进行振动响应优化，得到加强筋分布模型；所述振动响应优化以所述壳体部分表面的响应加速度为输出约束条件，以正时罩盖一阶模态频率为约束，以构成所述加强筋的材料的体积在所述设计空间内所占的体积比最小为优化目标；

S4、根据拓扑分析结果云图，确定所述正时罩盖初始方案有限元模型的初始加强筋部分在所述设计空间的构造，并据此建立正时罩盖的拓扑结构；

S5、建立正时罩盖的1D壳单元模型并进行形貌优化；

S6、基于所述振动响应优化及形貌优化结果云图，得到正时罩盖优化方案；

S7、所述正时罩盖优化方案，建立正时罩盖优化模型，并进行模态、频率响应分析和局部优化校核。

所述步骤S2包括：

S201、提取所述正时罩盖初始方案有限元模型；

S202、通过有限元软件，计算正时罩盖的约束模态；

S203、通过在正时罩盖初始方案有限元模型上的螺栓安装点上施加随频率变化的单位载荷激励，计算正时罩盖初始方案有限元模型的各响应点的法向振动结果。

所述步骤S3中，对所述正时罩盖初始方案有限元模型进行拓扑分析，对所述正时罩盖初始方案有限元模型进行拓扑分析包括：

S301、对所述正时罩盖初始方案有限元模型创建拓扑优化区域；

S302、在有限元软件中采用变密度法，引入假想的相对密度在0～1之间的可变材料；

S303、定义正时罩盖设计区域的单元密度为设计变量，约束条件为一阶模态频率不小于1500Hz，各响应点的最大振动速度不大于原峰值的50％，同时施加拔模约束，优化目标为设计空间的体积分数最小；

S304、提交计算，拓扑优化结果为拓扑优化区域内的材料密度值。

所述步骤S4包括：

S401、使用有限元后处理软件打开所述拓扑优化结果并读取；

S402、将读取的所述材料密度值设置为≥0.3；

S403、提取所述拓扑优化区域中大于门槛值的区域；

S404、根据所述拓扑优化结果确定正时罩盖内部材料分布。

所述的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法还包括：

S8、判断所述正时罩盖优化模型是否满足设计要求；若所述正时罩盖优化模型不满足设计要求，则调整材料密度阈值，在所述加强筋分布模型的基础上，去除所述设计空间中在所述形貌优化结果云图上显示材料密度低于调整后的材料密度阈值的区域的材料，保留所述设计空间中在所述形貌优化结果云图上显示材料密度不低于调整后的材料密度阈值的区域的材料，直至调整后的正时罩盖优化模型满足设计要求。

所述步骤S5包括：

S501、定义正时罩盖形貌优化的设计变量为设计域节点的扰动矢量，约束条件为起筋高度不大于4mm，起筋角度不大于60，起筋宽度不小于6mm，同时施加拔模约束，目标函数为一阶频率最大；

S502、提交计算，形貌优化结果为正时罩盖底部平板区域内的最佳加筋位置和形状；

S503、使用有限元后处理软件打开所述形貌优化结果；

S504、读取形貌优化结果，选择最后迭代步，查看最后一步的最优结果；

S505、将优化后的形貌应用到现有的模型上，以方便结构的设计及校核。

本发明的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，综合利用拓扑优化和形貌优化两种计算方法对正时罩盖的材料分布情况进行了计算，再通过对正时罩盖的几何模型进行模态、频率响应分析校核和局部优化来获得正时罩盖的可行性改进方案，再将该可行性方案提取，帮助设计人员在兼顾性能的前提下获得正时罩盖结构轻量化的设计方案，减少了设计人员的工作量，加快产品开发速度。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法的流程示意图；

图2为图1所示的对正时罩盖内部有限元模型进行拓扑分析的流程示意图；

图3为图1所示的根据拓扑分析结果，确定正时罩盖内部有限元模型的材料分布并据此建立拓扑结构的流程示意图；

图4为图1所示的建立正时罩盖底部的1D壳单元模型并进行形貌优化的流程示意图；

图5为本发明实施例的正时罩盖轻量化设计的CAE分析系统。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1所示，本发明提供了一种发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，包括如下的步骤：

S1、建立正时罩盖初始方案有限元模型，正时罩盖初始方案有限元模型包括壳体部分和初始加强筋部分，初始加强筋部分填充在设计空间内，设计空间为正时罩盖初始方案有限元模型所在坐标系内允许布置加强筋的空间；

S2、对正时罩盖初始方案有限元模型进行模态分析计算和频率响应分析计算；

S3、对正时罩盖初始方案有限元模型进行振动响应优化，得到加强筋分布模型；振动响应优化以壳体部分表面的响应加速度为输出约束条件，以正时罩盖一阶模态频率为约束，以构成加强筋的材料的体积在设计空间内所占的体积比最小为优化目标；

S4、根据拓扑分析结果云图，确定正时罩盖初始方案有限元模型的初始加强筋部分在设计空间的构造，并据此建立正时罩盖的拓扑结构；

S5、建立正时罩盖的1D壳单元模型并进行形貌优化；根据正时罩盖结构外部空间，以起筋高度为约束条件，以结构一阶频率最大为优化目标进行形貌优化；

S6、基于振动响应优化及形貌优化结果云图，得到正时罩盖优化方案；

S7、正时罩盖优化方案，建立正时罩盖优化模型，并进行模态、频率响应分析和局部优化校核。

在上述步骤S1中，在确保计算精度的基础上，对影响刚度较小的次要结构进行简化或省略，建立正时罩盖初始方案有限元模型。

在上述步骤S2中，对所述正时罩盖初始方案有限元模型进行模态分析计算，并在目标频率段的单位激励下对所述正时罩盖初始方案有限元模型进行频率响应分析计算。

由设计工程师对正时罩盖进行功能分析及空间校核。以正时罩盖轮廓及螺栓安装位置为非设计区域，对内部及外部可用区域进行填充，保证零件之间不干涉，形成拓扑优化的设计空间。

上述步骤S2并包括：

S201、提取正时罩盖初始方案有限元模型；

S202、通过有限元软件，计算正时罩盖的约束模态；

S203、通过在正时罩盖初始方案有限元模型上的螺栓安装点上施加随频率变化的单位载荷激励，计算正时罩盖初始方案有限元模型的各响应点的法向振动结果。

在上述步骤S202中，通过有限元软件根据正时罩盖实际工作条件，计算正时罩盖的约束模态。采用Lanczos法提取了0～3000Hz内频率参数。

在上述步骤S203中，频率为500～3000Hz。正时罩盖是通过螺栓安装在发动机缸体上，相应的，正时罩盖上设置让螺栓穿过的螺栓孔，正时罩盖初始方案有限元模型上的螺栓安装点对应正时罩盖上的螺栓孔位置。

在上述步骤S3中，对正时罩盖初始方案有限元模型进行拓扑分析，对正时罩盖初始方案有限元模型进行拓扑分析包括如下步骤：

S301、对正时罩盖初始方案有限元模型创建拓扑优化区域；

S302、在有限元软件中采用变密度法，引入假想的相对密度在0～1之间的可变材料；

S303、定义正时罩盖设计区域的单元密度为设计变量，约束条件为一阶模态频率不小于1500Hz，各响应点的最大振动速度不大于原峰值的50％，同时施加拔模约束，优化目标为设计空间的体积分数最小；

S304、提交计算，拓扑优化结果为拓扑优化区域内的材料密度值。

在上述步骤S302中，正时罩盖结构拓扑优化数学一般表达式为：

最大/最小化(max/min)：f(X)＝f(x₁，x₂，...，x_n)

g_j(X)≤0j＝1，...，m

约束条件：h_k(X)＝0 k＝1，...，m_k

式中，X＝x₁，x₂，...，x_n是优化设计变量；f(x)为优化目标；g(X)为不等式约束条件；h(x)为等式约束条件；上角标L为下限，上角标U为上限。

上述步骤S4包括：

S401、使用有限元后处理软件打开拓扑优化结果并读取；

S402、将读取的材料密度值设置为≥0.3；

S403、提取拓扑优化区域中大于门槛值的区域；

S404、根据拓扑优化结果确定正时罩盖内部材料分布。

根据振动响应的拓扑结果提取加强筋布置，得到初始改进结构。由于底部是平板结构，外部有一定空间，继续对底部进行形貌优化，进一步提高底部刚度。

本发明的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法还包括如下的步骤：

S8、判断正时罩盖优化模型是否满足设计要求；若正时罩盖优化模型不满足设计要求，则调整材料密度阈值，在加强筋分布模型的基础上，去除设计空间中在形貌优化结果云图上显示材料密度低于调整后的材料密度阈值的区域的材料，保留设计空间中在形貌优化结果云图上显示材料密度不低于调整后的材料密度阈值的区域的材料，直至调整后的正时罩盖优化模型满足设计要求。

上述步骤S5包括：

S501、定义正时罩盖形貌优化的设计变量为设计域节点的扰动矢量，约束条件为起筋高度不大于4mm，起筋角度不大于60，起筋宽度不小于6mm，同时施加拔模约束，目标函数为一阶频率最大；

S502、提交计算，形貌优化结果为正时罩盖底部平板区域内的最佳加筋位置和形状；

S503、使用有限元后处理软件打开形貌优化结果；

S504、读取形貌优化结果，选择最后迭代步，查看最后一步的最优结果；

S505、将优化后的形貌应用到现有的模型上，以方便结构的设计及校核。

如图5所示，本发明还提供了一种正时罩盖分析的CAE分析系统，包括CAE分析模块、拓扑优化模块和形貌优化模块。CAE分析模块是用于建立正时罩盖有限元模型和模态计算、频率响应计算。拓扑优化模块是根据约束条件和目标值计算拓扑优化区域内的材料分布情况。形貌优化模块是根据约束条件和目标值计算优化区域内的最佳起筋位置和形状。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，其特征在于，包括步骤：

S1、建立正时罩盖初始方案有限元模型，所述正时罩盖初始方案有限元模型包括壳体部分和初始加强筋部分，所述初始加强筋部分填充在设计空间内，所述设计空间为所述正时罩盖初始方案有限元模型所在坐标系内允许布置加强筋的空间；

S2、对正时罩盖初始方案有限元模型进行模态分析计算和频率响应分析计算；

S3、对正时罩盖初始方案有限元模型进行振动响应优化，得到加强筋分布模型；所述振动响应优化以所述壳体部分表面的响应加速度为输出约束条件，以正时罩盖一阶模态频率为约束，以构成所述加强筋的材料的体积在所述设计空间内所占的体积比最小为优化目标；

S4、根据拓扑分析结果云图，确定所述正时罩盖初始方案有限元模型的初始加强筋部分在所述设计空间的构造，并据此建立正时罩盖的拓扑结构；

S5、建立正时罩盖的1D壳单元模型并进行形貌优化；

S6、基于所述振动响应优化及形貌优化结果云图，得到正时罩盖优化方案；

S7、所述正时罩盖优化方案，建立正时罩盖优化模型，并进行模态、频率响应分析和局部优化校核。

2.根据权利要求1所述的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S201、提取所述正时罩盖初始方案有限元模型；

S202、通过有限元软件，计算正时罩盖的约束模态；

S203、通过在正时罩盖初始方案有限元模型上的螺栓安装点上施加随频率变化的单位载荷激励，计算正时罩盖初始方案有限元模型的各响应点的法向振动结果。

3.根据权利要求1所述的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述正时罩盖初始方案有限元模型进行拓扑分析，对所述正时罩盖初始方案有限元模型进行拓扑分析包括：

S301、对所述正时罩盖初始方案有限元模型创建拓扑优化区域；

S302、在有限元软件中采用变密度法，引入假想的相对密度在0~1之间的可变材料；

S303、定义正时罩盖设计区域的单元密度为设计变量，约束条件为一阶模态频率不小于1500Hz，各响应点的最大振动速度不大于原峰值的50%，同时施加拔模约束，优化目标为设计空间的体积分数最小；

S304、提交计算，拓扑优化结果为拓扑优化区域内的材料密度值。

4.根据权利要求1所述的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S401、使用有限元后处理软件打开所述拓扑优化结果并读取；

S402、将读取的所述材料密度值设置为≥0.3；

S403、提取所述拓扑优化区域中大于门槛值的区域；

S404、根据所述拓扑优化结果确定正时罩盖内部材料分布。

5.根据权利要求1所述的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，其特征在于，还包括：

S8、判断所述正时罩盖优化模型是否满足设计要求；若所述正时罩盖优化模型不满足设计要求，则调整材料密度阈值，在所述加强筋分布模型的基础上，去除所述设计空间中在所述形貌优化结果云图上显示材料密度低于调整后的材料密度阈值的区域的材料，保留所述设计空间中在所述形貌优化结果云图上显示材料密度不低于调整后的材料密度阈值的区域的材料，直至调整后的正时罩盖优化模型满足设计要求。

6.根据权利要求1至5任一所述的发动机正时罩盖轻量化CAE分析方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S501、定义正时罩盖形貌优化的设计变量为设计域节点的扰动矢量，约束条件为起筋高度不大于4mm，起筋角度不大于60，起筋宽度不小于6mm，同时施加拔模约束，目标函数为一阶频率最大；

S502、提交计算，形貌优化结果为正时罩盖底部平板区域内的最佳加筋位置和形状；

S503、使用有限元后处理软件打开所述形貌优化结果；

S504、读取形貌优化结果，选择最后迭代步，查看最后一步的最优结果；

S505、将优化后的形貌应用到现有的模型上，以方便结构的设计及校核。

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