[發明專利]商用車發動機發電機支架結構拓撲優化

在審

• 申請號: 201611069855.5
• 申請日: 2016-11-28
• 公開（公告）號: CN108121834A
• 公開（公告）日: 2018-06-05
• 發明（設計）人: 王楊婷
• 申請（專利權）人: 王楊婷
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京挺立專利事務所(普通合伙) 11265
• 代理人: 倪鉅芳

1.一種傳動軸總成的結構優化，其特征在于，包括以下步驟：

1.支架有限元的建模及分析

1.1支架有限元的建模

對發電機支架進行三維實體建模后，以IGES格式導入到HyperWorks軟件中；

支架進行網格劃分時選擇四面體單元，根據支架幾何尺寸和精度要求確定單元尺寸為1.5mm，網格劃分完后得到模型四面體單元數234904個，模型的節點數54201個；

支架的材料為球墨鑄鐵，其屬性如表所示，本文在分析的過程中，采用的單位制為MPa；

發電機支架通過3個螺栓固定在前端板上，因此分析計算時對三個螺栓孔的內表面約束，限制x,y,z三個平動自由度；

根據電機支架的位置和其功用，確定支架所受載荷有電機重力G，大小是84N，方向負Y；皮帶輪緊松邊張力的合力F，大小是314N，方向偏離X方向39.14度；皮帶輪張力合力向電機重心簡化后的兩個力偶：力偶M垂直于合力方向，大小是35329N·mm；力偶Mz為Z方向，大小是7425N·mm；載荷的作用點在電機重心上，電機重心通過剛性連接與支架模型相連；支架受力如圖所示；

1.2靜力分析

利用Opt模塊對支架在組合工況下進行靜力求解，得到靜力分析結果；最大位移為0.0477mm，最大應力為20.3MPa，材料的屈服極限為310MPa，組合工況下的最大應力值遠小于材料的屈服極限，有足夠大的優化空間；

2優化設計

2.1定義拓撲優化參數

在進行優化之前，需要確定設計區域和非設計區域；將固定在前端板上的3個螺栓孔，用于和正時齒輪蓋連接的2個圓孔，和電機連接的2個圓孔設定為非設計區域，其余為設計區域；

拓撲優化需要定義設計變量，響應，設計約束和目標函數；以支架設計空間里的每個單元的相對密度作為設計變量；定義兩個響應：一個是體積響應，一個是位移響應；以支架的最大位移作為約束條件，以體積最小化作為目標函數；

2.2優化分析

利用Opt模塊對支架進行優化分析；

從優化的結果中得到等值面圖，在等值面圖中可以設定一個密度門檻值，在密度門檻值以上的單元會被保留，從而可以得到在可設計區域內最優材料分配的等值面圖，以此圖為依據，對支架進行二次設計，在原支架模型的基礎上進行幾何修改；

2.3二次設計和分析

將優化的支架模型導入Pro/E軟件，以等值面圖作為依據確定減材料的區域；

將二次設計后的支架導入HyperWorks軟件，再次進行有限元建模和靜力分析；

表為支架二次設計前后靜力分析結果的對比圖：

從表中可以看出最大位移值和最大應力值在優化后都有所增加，支架最大應力值都遠小于材料的屈服極限值310MPa，總質量從2.348kg下降到了1.811kg，減輕了22.87％；因此將拓撲優化的方法應用在支架的設計上有利于提高支架的生產效率，節約材料和時間，可以帶來不錯的經濟效益；最后需要計算出支架的安全系數，安全系數為屈服極限與最大應力值的比值，大于1.1就是在安全范圍內，由計算結果可知優化前的安全系數為15.3，優化后的安全系數為10.4，大于1.1，滿足要求；

3.總結和展望

3.1總結

本文對商用車發動機發電機支架進行了結構拓撲優化設計，先對支架進行了有限元建模和靜力分析，然后通過HyperWorks軟件和Pro/E軟件實現了支架的優化設計和二次設計，通過對優化結果進行比較，達到了優化的目的，主要成果如下：

(1)完成了支架的有限元建模，并進行了靜力分析，得出位移圖和應力圖，最大應力值遠小于屈服極限值，有很大的優化空間；

(2)采用變密度的方法對支架進行結構拓撲優化分析，得到等值面圖，根據等值面圖確定可去材料的區域，以此圖為依據進行二次設計，去掉低效區的材料，保留高效區的材料；

(3)對二次設計后的模型進行分析并與優化前的結果對比，得出最大位移值和最大應力值在優化后都有所增加，但最大應力值都遠小于材料的屈服極限值，這是可以接受的；雖然最大位移值和最大應力值在優化夠有所增加，但是總質量減輕了22.87％，安全系數也滿足要求，達到了優化的目的；

3.2不足和展望

(1)課題僅僅只對支架進行了靜力分析，日后可以對支架進行動力學分析，得出支架在動態載荷的作用下的應力，位移的變化，并和在靜態載荷的作用下的應力，位移作比較；

(2)日后可以改變支架的邊界條件，載荷來觀察支架的優化結果，得出最優材料分配的結果；也可以對支架進行形貌優化，尺寸優化等；

(3)對支架進行模態分析也是可以嘗試的，通過模態分析可以知道支架在一定的模態頻率下以什么樣的形式在振動，也可以獲得支架的各階共振頻率值，從而可以知道支架在發電機工作的時候是否會發生共振。