基于ABAQUS的发动机油底壳优化设计.pdf

2015(9)
汽车工程师
FOCUS技术聚焦
设计·创新
于 ABAQUSHT的发动机
底壳优能设产
魏笼峰闫鹏斌俊灾骤
一で如工止大学与程中心
摘要:随着计算机技术的广泛应用,发动机油底売的设计沿着轻量化与低成本的方向发展。运用有限元分析软件
ABAQUS平台下的ATOM优化模块对油底壳进行了优化设计。通过优化计算可得,优化后的最大应力(102.6MPa)小于
材料的屈服极限(355MPa),而体积减小到优化前的70%,能使油底壳在满足刚度和耐久性要求的同时,实现轻量化。该
优化方法在机械产品设计中具有很好的使用价值。
关键词:发动机;油底売; ABAQUS软件;优化设计;轻量化
Optimization Design of Engine Oil Pan Based on ABAQUS*
Abstract: With the wide application of computer technology, light weight and low cost is the trend of engine oil pan
development. Oil pan has been optimized by using ATOM optimization module of FEA software ABAQUS. By optimizing
calculation, the maximum stress (102.6 Mpa )is lowered compared with material's yield limit (355 Mpa), and the volume is
reduced to 70%, realizing weight reduction in the case of meeting the requirements of rigidity and durability. This method will
provide valuable application in design of mechanical products
Key words: Engine; Oil pan; ABAQUS; Optimal design; Light weight
随着计算机技术的快速发展与广泛应用,与传统规模并能保证较高的计算精度。
的设计方法相比,机械产品开始向轻量化与低成本化1.1建立 ABAQUS有限元模型
的方向发展。另外,由于机械产品越来越复杂,对其结文章采用ProE建立油底壳三维模型,然后导入
构要求也越来越高,结构优化在现代工程设计领域越 ABAQUS中建模。ProE中的模型导入 ABAQUS后,利
来越重要叫,其目的是以最少的材料与最低的成本来实用 ABAQUS的模型修复功能消除几何模型中可能存在
现产品的稳定性、强度及刚度等最优性能。自从工程设的,如小平面、自由边、微小缝隙及小尖角等几何缺陷。
计领域应用了结构优化以来,产品的研发周期得以缩采用Pro/E与 ABAQUS相结合的建模方法,得到了较
短并且产品的性能和质量也有了很大提高。文章基于为精确的油底壳几何模型,如图1所示。
有限元分析软件 ABAQUS分析了油底売约東模态下应
力分布规律并利用拓扑优化模块,对油底壳进行结构
拓扑优化,得到油底壳优化后的应力分布和体积。
1油底壳 ABAQUS有限元分析模型的建立
模型、约束及载荷与实际结构的力学特征符合程
度直接影响了有限元分析结果的可信度,因此有限元
分析模型的建立应该能反映实际结构的力学特性,并
图1油底壳三维模型
且采用较少的单元及较简单的单元形态,来缩小解题
运用Mesh模块生成有限元网格,并且按照壳体单
基金项目:辽宁省博士启动基金项目(20141200)
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第9期
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Desian-innovation
元进行划分。由于S4R壳单元(4节点四边形有限薄膜
应变线性减缩积分壳单元)性能稳定,适用性广,油底
Task Task-1(Topology, Stiffness)
壳用S4R壳单元划分,且含有极少的S3壳单元。油底
Design Response
壳的 ABAQUS有限元分析网格模型,如图2所示。
Type: Volume
o A fraction of the initial
is in the Task Edite
oi
c约束条件
d冻结区域
图2油底壳 ABAQUS有限元模型
图3油底壳拓扑优化任务创建显示界面图
材料与约束条件
3结果及分析
先确定模型单元的材料属性来进行有限元分析,发通过提交优化任务,得到油底壳优化前前5阶
动机油底壳材料参数为:材料类型为板厚3mm的45° Mises J应力云图,如图4所示。
钢板,体积质量7850kg/m,弹性模量2.06×10MPa,泊
松比0.3
边界约束条件施加是否合理直接影响到分析结果
的合理性与正确性。在油底壳实际工作过程中,法兰和
机体下表面通过螺栓连接在一起。因此对油底壳法兰
部分完全约束。
2结构拓扑优化
a第1阶
b第2阶
拓扑优化即在每次迭代过程中通过修改模型中指
定区域的单元材料,并且让其从特定的区域中移走或
增加单元,最终获得最优设计目标的优化过程?。拓扑
优化方法是在结构设计初期提出的概念性的材料分布
方案,但不是最终方案。这种概念性的材料分布能够
满足结构强度与刚度的要求。
c第3阶
d第4阶
在 ABAQUS中,拓扑优化过程为:创建优化任务一
创建设计响应一创建优化目标函数一创建优化约東条
件一提交优化任务。
油底壳拓扑优化任务的创建过程,如图3所示,设
计响应分别为应变能和零件体积,目标函数为最小应
变能,优化约束条件为体积低于初始体积70%,冻结区
域为油底壳法兰部分。
e第5阶
图4油底壳优化前前5阶 Vises应力云图
Name: Strain energy
从图4中可以看出,深色区域为约束后应力较小
Task Task-1 (Topology, Stiffness
区域,主要分布在油底売的上端凸沿和左右侧板处,说
明在设计时此处的材料可以减薄甚至删除;浅色为约
東后应力较大的区域,主要分布在油底壳的底板处,说
明此处的材料应保留
经过10次优化迭代并分析每次迭代应力分布情
况,得到拓扑优化迭代历程 Mises应力云图,以第5次
设计响应
b目标函数
和第10次迭代为例,如图5所示。
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