前言

　　在當前的工業設計中，優化設計理論和方法得到了深入的研究和廣泛的應用，成為企業提高產品質量、降低開發成本和縮短設計周期的強有力手段之一。

　　所謂優化設計是指根據具體的工程問題建立優化設計的數學模型，并采用一定的最優化方法，找出既滿足約束條件、又可達到最優目標函數的設計方案。根據優化問題的初始設計條件，目前結構優化技術主要應用于以下幾大領域：

　　●尺寸優化( sizing optimization)

　　●形狀優化 (shape optimization)

　　●拓撲與布局優化(topology optimization)

　　●結構類型優化

　　通常結構優化的流程圖如圖1所示。

　　圖1 結構優化流程圖

　　在工程實際中應用較為廣泛的是尺寸優化、形狀優化以及拓撲與布局優化。本文將給出幾個SAIC MOTOR運用OptiStruct的優化設計實例，闡述結構優化在發動機設計中的具體應用。

　　1 優化實例

　　1.1 渦輪增壓器支架的結構尺寸優化

　　尺寸優化是在結構拓撲確定的前提下，用少量的尺寸對結構某些變動進行表達，然后在此基礎上建立基于這些尺寸參數的數學模型，并采用優化方法對該模型進行求解，從而得到最優的尺寸參數。

　　1.1.1 問題描述

　　某發動機需設計渦輪增壓器支架，以提高增壓系統的特征頻率，減小發動機工作過程中的振動水平。結合工程實際，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，鈑金原始厚度3mm，期望確定最優支架厚度。

　　圖2 渦輪增壓器結構示意圖

　　1.1.2 優化及結果討論

　　為圖2所示結構建立有限元模型——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格;支架采用殼單元劃分網格;螺栓及發動機主體結構采用剛性單元模擬。為有限元模型施加正確的位移約束，定義模態載荷步進行試算，提取系統的特征頻率，確定使用3mm厚度的支架時系統剛度高于設計目標。然后定義桿身部分為設計空間，建立合適的響應、約束及優化目標，提交OptiStruct求解器進行優化計算，計算收斂后通過后處理發現，桿身厚度從初始的3mm設計下降至2.505mm即可滿足設計要求，優化后的1階模態位移云圖如圖3所示。

　　圖3 優化后的1階模態位移云圖

　　通過振動測試，該設計滿足振動要求。目前該設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化

　　拓撲優化設計是在給定的材料和設計域內， 通過優化設計方法可得到既可滿足約束條件又使目標函數最優的結構布局形式及構件尺寸。

　　1.2.1 問題描述

　　某二次空氣泵支架概念設計如圖4所示。初步的模態計算表明，該概念設計振動特性不能滿足設計要求，且在虛擬裝配過程中發現，該系統與相鄰零部件存在較高的干涉風險，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計

　　1.2.2 優化及結果討論

　　為提高該支架的振動特性，在概念設計方案兩側添加肋板，使支架形成空箱結構，如圖5所示。經試算，在添加兩側肋板后，支架的基頻提高206%，但是支架左側肋板使得干涉現象更為突出。

　　圖5 添加兩側肋板的二次空氣泵支架

　　將兩側肋板定義為設計空間，并為定義合適的約束、響應以及優化目標，提交OptiStruct求解器進行優化計算，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)，將云圖顯示閾值設置為0.3時，可知左側肋板靠近基座處的材料對于保持系統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，加入人工設計經驗，規整化重新建模如圖7所示，經模態計算，該方案滿足設計要求。

　　圖7 規整化設計的1階模態位移云圖

　　該設計已制造樣件，并順利通過振動測試和耐久考核。

　　1.3 懸置支架的拓撲優化

　　1.3.1 問題描述

　　某發動機需要設計前懸置支架。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計空間，如圖8所示，希望通過拓撲優化得到滿足剛度/強度要求的最小質量設計方案。

　　圖8 前懸置支架設計空間

　　1.3.2 優化及結果討論

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

　　圖9 首輪優化結果

　　結合人工設計經驗，在圖9(b)所示設計基礎上添加加強筋，以應變能為響應進行次輪優化，結果如圖10所示。

　　圖10 次輪優化結果

　　根據次輪優化結果，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。根據應變能分布云圖，發現位于三個螺栓搭子之間的下側三角形箱型結構對支架強度貢獻極低，因此人工去除最下側的加強筋，如圖11(b)所示。結合制造工藝性考慮，最終設計結果如圖11(c)所示。

　　圖11 最終優化結果

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

　　1.4 PAS泵支架的拓撲優化

　　1.4.1 問題描述

　　某發動機PAS泵支架原始設計如圖12所示，在試驗過程中該支架頻繁發生斷裂故障，經過有限元分析，發現該支架存在局部應力集中現象，且除失效位置以外，還存在其它的潛在失效高風險區域，見圖13。該支架需重新設計，要求解決當前失效問題，同時消除潛在的失效風險。

　　圖12 原始設計

　　圖13 原始設計強度校核結果

　　1.4.2 優化和結果討論

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

　　圖14 PAS泵支架拓撲優化

　　根據拓撲優化的結果，優化設計方案見圖15。針對兩種不同的設計方案，分別進行強度校核，兩者均可滿足設計要求。方案2中的最高應力約為方案1中最高應力的60%，但零件質量卻為方案1設計的126.3%，即，方案2存在過設計，因此，采用優化設計方案1作為最終方案。

　　圖15 兩種優化設計方案

　　圖15(a)所示的設計目前已投入生產并投放市場，反應良好。

　　2 結構優化在發動機設計中其它應用

　　前文所列舉的案例均為支架類零件的結構優化。支架類零件的特點是：

　　●結構多樣性。這導致不同的機型和子系統之間很難相互照搬套用，因此有必要采用結構優化為設計提供指導;

　　●邊界條件易于確定。如較易獲取準確的設計空間、約束、工作載荷等，并可方便的將相應的邊界施加于有限元模型中。這有利于構造相對精確的結構優化模型;

　　●優化結果在試驗中易于驗證。

　　除了支架類零件以外，結構優化在發動機設計中還有著其它廣泛的應用范圍，如：

　　●罩殼類零件的形貌優化;

　　●下群架(主軸承蓋)的拓撲優化;

　　●機體群部的拓撲優化;

　　●機體/缸蓋/歧管等關鍵零部件的局部形狀優化等等。

　　3 結語

　　OptiStruct是強大的結構優化工具之一，結合HyperWorks豐富的前后處理功能，可讓設計者快速實現優化對比，找到相對最優設計。在發動機結構設計領域內，應用OptiStruct獲得的優化設計方案，可以起到很好的滿足設計要求，并為設計者提供必要的指導。

　　目前，結構優化在發動機設計中的作用體現的日益重要，正在成為一個新的熱點。靈活運用結構優化方法，可以為設計者指明設計方向，在較短時間內帶來較優設計，降低了對設計者經驗的依賴度，同時縮短了設計周期，降低了設計風險。