基于Inspire的发动机和发电机复合支架拓扑优化设计

摘要：本文基于Altair solidThinking软件中的Inspire模块对发动机悬置和发电机支架进行了拓扑优化设计，在保证支架强度的情况下，支架重量减少25%，拓扑优化支架一阶模态频率数值由原结构的106Hz提高到158Hz，提高了49%，为零部件的概念和详细设计提供指导。

关键词：Inspire；发电机支架；强度；模态；拓扑优化

1  拓扑优化背景

某型号发动机基于结构布置，悬置支架和发电机采用一体铸件的形式固定于发动机前端，结构如图1所示。                   

                              1.机体 2. 支架A  3.支架B  4.发电机 5.发电机支架6.张紧轮 7.悬置支架

                                                      图1 发动机和发电机复合支架

发电机支架通过支架A和支架B固定在机体前侧，张紧轮固定在发电机支架前侧，悬置支架通过螺栓固定在机体左侧。铸造一体的发动机悬置与发电机支架如图2所示，整体采用的是实心的球铁铸造，铸造厚度10~12mm。在仿真计算中其模态较低，应力相对较小，为此欲通过拓扑优化，在保证支架强度前提下，降低材料用量，提高模态。

                                                              图2 原发动机悬置和发电机支架

2  拓扑优化原理

拓扑优化是一种根据约束、载荷及优化目标寻求结构材料最佳分配的优化设计方法。其主要基于变密度理论，将材料的中间密度单元引入材料插值模型，把离散元的问题变成连续型，优化过程中要通过惩罚因子对无法制造和存在的中间密度单元进行控制。本文基于SIMP的材料插值模型，以支架的刚度最大化为设计变量，以设计空间的单元相对密度为设计变量，以模型体积和支架模态为约束条件，建立的拓扑优化设计的数学模型。

3  拓扑优化模型的建立

3.1 几何处理

    将发动机悬置与发电机支架模型导入到Inspire软件中，利用简化工具去除模型的圆角与倒角；利用剪切工具，根据模型的几何结构，将模型剪切成若干板块，为后期设置拔模方向和形状控制做准备；利用分割工具将模型的螺栓孔按径向3mm分割出来，利用布尔运算合并有相同属性的板块，将拓扑优化的板块设置为设计空间。几何处理后的模型如图3所示，其中深色区域为设计空间，浅色为非设计空间。

                                                                图3 拓扑优化模型

3.2 材料属性

优化模型中的支架采用QT450材料，机体采用HT250材料，零部件的材料参数如表1所示： 

                                                                                   表1 材料属性

 3.3 建立约束

添加发动机的总成质心525kg、发电机总成质心12kg、发电机皮带轮的质心0kg、张紧轮的质心1kg、上端管路的质心1.5kg，以及悬置支架的固定点1kg。利用连接器将各质心点耦合到对应的连接孔位。在两零件连接处的螺栓孔位上添加螺栓，两零件的接触区域设置为接触，各板块的接触为绑定接触，约束连接如图4所示。

                                                                   图4 约束与接触

3.4 载荷工况

在悬置支架固定点处和拉杆末端两孔位添加固定约束，施加重力的方向为竖直向下，施加发电机皮带力与张紧轮预紧力，在发动机总成质心、发电机总成质心、张紧轮质心与上端管路质心处施加六向重力冲击载荷，具体如表2所示。

                                     表2 载荷工况

3.5 形状控制

在模型设计空间添加单向拔模方向，设置两侧板形状控制方式为平面对称，如图5所示。

                                                                          图5 形状控制

3.6 优化参数设置

本次优化主要是在保证刚度的情况下，对支架进行优化。

1）  优化目标：最大化刚度；

质量目标：设计空间总体积的35%；

2）  频率约束：最大化频率；

厚度约束：最小12mm，最大24mm；

3）  其他：施加重力，应用于所有载荷工况。

4  优化结果与验证

运行优化，调节模型材料体积控制，使各个连接固定点的材料连续，得到的拓扑优化结果如图6所示。

                                                                          图6 拓扑优化结果

基于原支架拓扑优化结果的形状，利用推拉命令拉伸出支架的基本形状，然后导入Creo，按照近似尺寸重新设计发动机悬置与发电机支架，各板件连接处进行圆滑过渡处理。

                                                                           图7 拓扑优化支架三维图

支架重量由原方案的11.73kg，减轻至8.78kg，降重25%，拓扑优化支架三维如图7所示。支架各侧板相对原支架都有缩减，铸造工艺性难度增加，在大批量生产中可明显节约成本。随着铸造工艺技术的提高和3D打印技术的成熟，拓扑优化技术的优势愈加明显。重新调整支架连接，拉伸出机体简化结构并赋予材料，将支架和机体通过增加5颗螺栓来连接，增加发动机的悬置支撑，通过简正模式对两支架进行分析。拓扑优化支架一阶模态频率如图8所示，一阶模态数值由原结构的106Hz提高到158Hz，提高了49%，其一阶频率高于发动机额定转速2300rpm对应一阶激振频率115Hz，一阶频率的安全系数为1.37，满足设计放行要求。

                                                                            图8 一阶模态频率

对支架系统施加六向静力冲击载荷，原支架与拓扑优化支架应力结果如表3所示。在相同载荷工况下，拓扑优化支架的应力高于原支架，说明随着材料的减少，拓扑优化支架的强度有所降低。两支架在向上的冲击载荷工况下受到的Mises应力最大，应力如图9所示。两支架的最大Mises应力值分别为189 MPa和222 MPa，均低于所应用材料QT450的屈服应力极限310MPa，支架应力满足要求。

                                                              图9 向上冲击载荷工况Mises应力

                               表3 支架在各向冲击下应力计算结果

5  结语

（1）拓扑优化后发动机悬置与发电机支架的质量减少25%，节约了零件材料成本，减轻了整机质量，提高了燃油经济性。

（2）优化后支架一阶模态频率数值为158Hz，高于发动机额定转速对应的激振频率115Hz，模态满足要求。

（3）优化后支架的最大Mises应力值为222MPa，低于所应用材料QT450的屈服应力极限310MPa，应力满足要求。

（4）拓扑优化支架各板块去除材料较多，铸造模具开发难度大，在大批量生产中，节约制造成本较明显。

（5）随着铸造技术水平的提高和3D打印技术的成熟应用，拓扑优化技术的应用也会更加广泛。

 参考文献

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