发动机支架多工况拓扑优化研究论文

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1、Altair中国区2008HyperWorks技术大会论文集发动机支架多工况拓扑优化研究芮强王红岩装甲兵工程学院机械工程系-1-Altair中国区2008HyperWorks技术大会论文集发动机支架多工况拓扑优化研究ResearchonTopologyOptimizationofPower-trainBracketunderMultipleloadingcases芮强王红岩(装甲兵工程学院机械工程系,北京100072)摘要:为了将拓扑优化理论引入某发动机支架结构的优化设计，采用基于变密度法的结构拓扑优化技术，以最小化结构静力和频率特性合成柔度

2、指数为目标，以保留体积比为约束条件，进行了支架结构的拓扑优化设计，并对优化前、后支架结构的刚强度及模态振型进行了对比与分析，结果表明优化以后发动机支架的静、动态特性均得到了较大幅度的改善，说明采用拓扑优化技术进行发动机支架结构的优化设计是一种行之有效的方法。关键词:发动机支架；拓扑优化；多工况；变密度法Abstract:Inordertoapplytopologyoptimizationtheorytothestructuredesignofapowertrainbracket,thetopologyoptimizationbasedonth

3、eartificialmaterialmethodhasbeenstudied.Whenperformingtopologyoptimization,theminimumcombinedcomplianceindexconsideringmultiplefrequenciesandstaticloadcasescombinedinaclassicaltopologyoptimizationaresetasobjectives,andfractionofdesignvolumeastheconstraint.Itcanbefoundouttha

4、tthestaticanddynamicperformancesoftheoptimizedpowertrainbrackethasbeenimprovedtremendouslythroughthecomparisonofanalysesresultsoforiginandfinaldesign.Thusitisaneffectivemethodforstructuredesignofthepowertrainbracket.Keywords:power-trainbracket;topologyoptimization;multiplel

5、oadingcases;artificialmaterialmethod结构优化通常分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化和结构类型优化。虽然目前尺寸优化和形状优化技术己经比较成熟，但是在结构布局己定的情况下，工程师对设计的修改程度有限，优化设计所能产生的效果有限。结构拓扑优化是一种根据约束、载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法。主要应用在产品开发的初始阶段，是一种概念性设计，对最终产品的成本和性能有着决定性影响。由于结构拓扑优化在设计的初始阶段即被引入，所以[1-2]与结构尺寸优化和形状优化相比可以获得更大的经济效益。-2-Altair

6、中国区2008HyperWorks技术大会论文集发动机支架支撑着发动机及变速箱等集中质量，在车辆起动及运行过程中承受着多种复[3-4]杂载荷作用。因此在设计时既要满足结构静态刚强度要求，又要满足结构动态特性要求。通过对原发动机支架的分析发现结构强度无法满足冲击载荷作用，并且支架结构的固有频率偏低，容易在发动机激励作用下产生共振，因此需要对原结构进行改进。文中同时考虑发动机多种静态载荷和动态频率特性的影响，以结构静力和频率特性合成柔度指数最小为目标函数，对该支架结构进行了拓扑优化设计，在减小支架重量的同时大大改善了支架结构的应力分布状况及动态特

7、性。1拓扑优化基本理论及方法目前常用的连续体结构的拓扑优化方法有：变厚度法、变密度法及均匀化方法。本文采用变密度法。变密度法的基本思想是假设离散单元内部的材料属性为常数，设计变量定义为离散单元的相对密度，用η来表达，设原始设计单元密度为ρ，优化后单元密度为ρ，则i0存在关系式：ρ=ηρ。单元的材料属性随着单元相对密度的变化而变化，并且与单元相i0[5]对密度成指数变化关系：P⎧E=ηEi0⎨（1）Pk=ηk⎩i0式中：E、E分别为单元初始弹性模量和优化后弹性模量；k、k分别是结构单元初始刚00度阵和优化后的刚度阵；P为惩罚权因子，选择惩罚因子

8、的目的是对中间密度单元项进行惩罚，以尽量减少结构中间密度单元的数目。在上述假设前提下每个单元只包含一个设计变量，相对于均匀化方法而言，减少了设计变量的数目，同时单元