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一种油底壳的优化方法 |
2010-01-0417 发表于 04/12/2010 |
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Cristiana Delprete, Fabio Pregno and Carlo RossoPolitecnico di Torino |
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摘要
在动力总成技术中，为了获得最佳的减少噪声、振动和苛刻性(NVH)性能，设计人员必须在油底壳设计上小心谨慎。这对于汽车设计来说是个大问题， 因为它们会影响乘客的舒适度。为了降低动力总成的振动和辐射噪声，油底壳是关键的部件之一。油底壳的高刚度允许移动组件的自然模态，从而减少组件本身的声音发射。此外，组件的优化形状允许增加发动机总成的固有频率值。本课题研究的目的是开发一种方法来提高油底壳的刚度，从组分的要求和添加物质材料开始。方法在一系列不同的模型上进行测试：它们具有相同的几何形状，但材料不同。模型是从实际油底壳的几何形状开始创建的。利用有限元软件进行了一系列的迭代优化。所提出的方法可以帮助设计人员定义达到通过对实际油底壳的试验模态分析，对所要求的固有频率进行评估。
简介
在动力总成技术中，为了获得最佳的噪声、振动和苛刻性能，设计者在油底壳的设计上必须小心谨慎，但同时也要注意油底壳的设计。 为降低油耗和污染物排放，采用了组分重量法。为了降低动力总成的振动和辐射噪声，油底壳是关键的部件之一。 高刚度的油底壳允许向上移动的自然模式的组成部分。因此，减少声音发射的组成部分本身。此外，优化的形状该组件允许增加发动机总成的固有频率。本课题研究的目的是开发一种提高油底壳刚度的方法，从组分的要求和添加物质材料开始。 只在需要材料的地方使用。该方法从简单几何学的定义开始，然后进行迭代过程。简单的几何定义包含在有限元的模型中。这个简单的几何图形是从一个铸造铝油底壳为一个四冲程压缩点火发动机，它有着均匀的厚度。目的是在以获得相同的自然频率的实际油底壳。对实际油底壳进行了模态试验分析，得到了油底壳的固有频率和振型。情态分析为了计算简单模型的固有频率，对第一次尝试几何进行了分析。在第一次设计之后，拓扑优化评估组件的一部分。 设计人员可以添加额外的材料来提高油底壳的固有频率。为了提高汽车设计中的部件性能，大量采用了拓扑优化方[1,2,3]。提高油底壳刚度的另一种方法是地形优化[4]。第二次设计尝试通过肋骨和壳体来实现第一优化建议，以及 然后进行第二次模态分析。如果新的油底壳达到设计目标(就固有频率而言)，它可以被认为是最好的设计。如果新的油底壳达不到第二次拓扑优化评估目标，设计师可以添加材料和程序将重复，直到收敛到优化设计。方法在一系列不同的模型上进行了测试：它们具有相同的几何形状，但材料不同(铝合金AlSi9Cu4和PA66长玻璃纤维增强)。本文对模型的模态特性进行了比较，通过优化加入材料的比例，获得相同的第一阶固有频率目标该方法有助于设计人员确定达到所要求的固有频率的设计。在这篇论文的第一部分中，我们介绍了方法，而不是它所要做的。 本文用两个例子得出了一些结论。
方法论
所提出的方法是从实际部件的实验模态分析开始的，在这种情况下，一个四冲程压缩点火发动机的铸铝合金油底壳。该分析为设计者提供构件的固有频率：它们是达到最佳设计构件的目的。如果不进行试验模态分析，设计人员可以设定一系列的固有频率作为优化的目标。本研究的目的是获得一种新的油底壳，它具有相似的固有频率，但不同的厚度、珠粒和肋骨。为了实际的油底壳具有相同的特征有了一个新的组件，但比较轻的地位。较轻的部件是非常成功的，因为它有助于降低燃料消耗，以及污染物的排放。该方法遵循迭代过程。从实际油底壳开始，用户必须创建一个简化的CAD模型：该模型保持实际的总体形状。但它没有肋骨或珠子，只有均匀的厚度。该均匀厚度可根据制造工艺的最小允许厚度选择。
一次优化
CAD模型成为第一个设计模型。为了评估固有频率，必须对模型进行有限元分析。有限元模型有三四节点壳单元且具有线性形状函数。这是一个三维模型，但它是由二维元素(外壳)建立的。在有限差分法上，必须用商业软件进行拓扑优化。该软件是一种能够同时进行通用有限元分析和深度优化算法的商用有限元程序。第一次优化的目标是使第一个固有频率最大化。软件功能允许对模型应用一些制造约束，但前提是它是由实体构成的，制造约束不能应用于所提出的模型。在此优化过程中，软件被限制只工作在组件的一个定义的百分比上，并且为了达到目标它会将组件的厚度限制在最小值和最大值之间。优化结果为密度分布：密度值从0到1不等。密度等于1的区域是设计人员可以使用的组件部分，而密度等于零的区域是组件厚度必须设置为最小值的组件部分。
二次优化
设计人员可以选择阈值密度值，以便在密度低于阈值的区域中设置最小厚度，并在密度高于阈值的区域中设置最大值。这是第二个设计模型(SDM)。对该模型进行了一种新的模态分析：当固有频率达到目标时，SDM成为最优模态。如果固有频率达不到目标，设计师可以继续进行第二次优化。第二个优化必须在厚度最小的组件区域中执行。而具有厚度最大的区域不需要修改。在第二次优化期间，这些区域是非设计区域，从第一次优化开始，频率变化最大化。 设计师把SDM的固有频率放在坎贝尔图上。如果存在以工作发动机速度跨越发动机的频率，则第二个优化尝试最大化，控件中组件的厚度随软件的不同而变化，设计区域以最大限度地提高目标频率。
迭代优化
设计人员选择密度阈值并创建第三个设计模型(TDM)，然后对TDM进行模态分析。如果新的固有频率符合目标，则模型成为优化设计模型。设计人员可以继续进行另一个迭代步骤，直到固有频率满足项目目标。提议的方法可以从实际的油底壳及其固有频率通过实验模态分析进行评估，但也可以从一个新设计油底壳或元件开始，以用户定义的固有频率为目标。图一显示了方法流程图（图一见最后一页）。
实例 1
所提出的方法的第一个例子是优化铝合金油盘，它从一个四冲程压缩点火发动机的实际油底壳开始，油盘重量为3.2 Kg。
试验模态分析
在实际油底壳(图2)上进行了多输入-多输出(MIMO)模态分析的实验测试。三个方向(x，y，z)的分量上有三个激发点。 激振是用仪器锤子进行的，在17次测量运行中，51个三轴加速度计被放置在元件上。
图3显示了试验模态分析(EMA)在0到2048 Hz之间得到的频率响应函数，表1显示了油底壳高达1000 Hz的固有频率。
第一设计模型
从实际组件(图2)开始，创建了一个简化的CAD几何结构。将CAD几何模型应用于有限元商业软件中，得到有限元模型。 图(4)在三个或四个节点处有二维单元。有限差分法有两种不同的厚度：
T1：根据制造工艺的最小厚度
T2：油底壳与发动机机体之间的连接厚度
厚度T1根据铝合金铸件最小厚度[6]设置为2mm，而T设置为7mm，以避免由于与发动机机体的连接而造成的过度挤压。有限元是三到四个节点的壳单元。模型中使用的铝合金材料数据如下：
·杨氏模量E=71000 MPa
·泊松比nu;=0.33
·材料密度rho;=2790 kg/m3
对有限差分法进行了模态分析，表2给出了自振频率高达1000 Hz的结果。通过EMA与FEA在本段中的比较，给出了实际油底壳的质量和有限差分的固有频率。根据模型的较低厚度，其固有频率低于实际油底壳。图5，6，7，8，9，10表示模态形状的比较，左图像为有限元分析结果，右图像为EMA结果。
EMA与FEA的比较
在这一段中，给出了实际油底壳的固有频率与有限差分的固有频率的比较。根据模型的较低厚度，其固有频率低于实际油底壳。图5，6，7，8，9，10表示模态形状的比较，左图像为有限元分析结果，下图像为EMA结果。
前三种振型在有限元分析和EMA中都具有相似的模态形状，而有限元第四模态形状与EMA第五模态具有相似的模态形状，第五种模态形状与第四EMA相似。第六模块形在有限元法和EMA法中是不同的。
首次优化
在第一次优化过程中，软件最大限度地提高了第一固有频率。所有厚度为T1的区域是设计区域，而厚度为T2的区域是非设计区域(图.四 )。该代码仅限于设计区域的某个百分比，并且它将最小值0.5到最大值5之间的厚度进行更改。图11显示了使用不同设计区域百分比(20%、30%、40%，50%)的拓扑密度的不同结果。
红色区域的密度等于1，它们是设计者必须添加材料的区域，而蓝色区域的密度等于零，它们是设计者可以离开的区域。图11显示：增加软件工作区域，在模型上添加了大量材料：工作在30%(图11.b)上工作是目标(最大化第一频率)和制造商需要(减轻重量)之间的良好界限。使用图11.b的模型，将密度阈值固定0.3：在密度低于阈值的区域设置厚度 在密度高于阈值的区域，厚度设置为5mm。以这种方式创建SDM(如图12所示)
二次设计模型
SDM有三种不同的厚度(图13)
·T1：根据制造工艺的最小厚度
·T2：油底壳与发动机机体之间的连接厚度
·T3：在第一次优化期间设计的厚度
厚度t1根据铝合金铸件的最小厚度设置为2mm，t2设置为7mm，以避免由于与发动机机体t3连接而造成的过度挤压，t3设置为5mm。对SDM进行了模态分析，表3给出了前六个振型固有频率的计算结果。
前三个固有频率低于实际油底壳的相应频率，而第四、第五和第六振型的频率高于实际油底壳的相应频率。为了达到目标频率，必须执行第二次优化。固有频率必须放在坎贝尔图上，这样才能使频率最大化。 第二次优化图17显示了SDM的坎贝尔图。第二固有频率lambda;2在最大发动机工作速度下与11台发动机顺序相交：第二优化将使第二固有频率最大化。
二次优化
在第二次优化过程中，软件最大限度地提高了第二固有频率。所有厚度为t1的区域(图13)都是设计区域，而厚度为t2和t3的区域为非设计区域为(图.4)。该代码仅能工作在设计区域的30%，并且它将最小值0.5到最大值5之间的厚度进行更改。图18显示了拓扑密度。
红色区域的密度等于1，它们是设计者必须添加材料的区域，而蓝色区域的密度等于零，它们是设计者可以离开的区域。密度阈值固定为0.3：在密度低于阈值的区域，厚度设置为2mm，而在密度高于阈值的区域，厚度设置为5mm。这样就创建TDM (如图所示,图19）。
第三设计模型
TDM有四种不同的厚度(图20)：
·T1：根据制造工艺的最小厚度
·T2：油底壳与发动机机体之间的连接厚度
·T3：在第一次优化期间设计的厚度
·T4：在第二次优化过程中设计的厚度
厚度t1设置为2毫米，根据铝合金铸件最小厚度，T2设置为7毫米，以避免过度挤压由于与发动机缸体的连接，T3和T4是设置为5毫米。对--TDM进行了模态分析，表4给出了前六个振型固有频率的计算结果。
与实际油底壳固有频率(表1)的比较如下：
第一自然频率:—6%
第二自然频率: 13%
第三自然频率: 9%
第四自然频率: 18%
第五自然频率: 53%
第六自然频率: 38%
与实际油底壳相比，TDM的第一自振频率为负6%，而其它所有固有频率都有很好的提高。原油的重量 PAN为3.2kg，新品种为2.6kg，体重节约23%。TDM是最优设计。
例子 2
该方法的第二个例子是PA 66长玻璃纤维油底壳的优化。第二个例子的目的是获得一个新的油底壳不同的材料，但其固有频率可与铝合金油底壳相媲美。
第一设计模型
有限差分几何是相同的第一个例子(图4)。将CAD几何学应用于有限元商业软件中，为了获得二维壳体单元在三节点或四节点处的有限元模型。FDM有两种不同的厚度：
·T1：根据制造工艺的最小厚度
·T2：油底壳与发动机机体之间的连接厚度
厚度T1设置为5mm，而t2设置为10 mm，以避免由于与发动机机体的连接而造成的过度挤压。有限元是三到四个节点的壳单元。 模型中使用的PA 66长玻璃纤维增强材料数据如下：
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