OptiStruct（精选四篇）
OptiStruct 篇1
拓扑优化技术能够对结构进行尺寸、形状和材料布局优化设计，因而受到广泛的关注，成为结构优化设计领域的热点[4]。尤其在产品的“概念”设计阶段，拓扑优化技术能够激发工程技术人员的“灵感”，能有效实现结构最佳功能和最小成本的结合。OptiStruct是全球最先进的结构优化设计软件之一，它提供了最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化[5]。
本文基于OptiStruct平台，研究了二维薄板结构在载荷作用下的加强筋最优布置方式，并对风载作用下的叶片构造进行了设计，提出了叶片加强筋设计方案。
1 拓扑优化设计模型和方法
1.1 拓扑优化模型
静力拓扑优化的数学模型写成有限元形式可以表示为:
其中，E(xe)为期望优化目标，xe为离散设计变量(可以为结构密度或厚度等)，Ke为单元刚度，u、f分别为单元的位移向量和节点力向量，λe和λ軍e分别为结构性能约束(应力或位移等)和约束值，νe和V分别为单位体积和总体积，xmin、xmax为设计变量的上下限，N为单元总数。式(2)为静力平衡条件，式(4)为体积约束。
1.2 拓扑优化方法
拓扑优化对连续体材料的描述有不同的方法，其中比较有代表性的有均化方法和变密度法。在均化理论中认为连续体材料是由方形单胞按一定周期变化规律组成,每个单胞分为实体和空心部分，另外也考虑材料主轴的方向。如果假定单胞的长度为1，实体材料长和宽分别由a和b来表示，θ表示材料的主轴方向，这样就可以对弹性体材料进行准确地描述。均化方法能够精确地符合材料的理论模型，但是采用这种方法设计变量较多。在优化过程中，每个单胞基元在实和虚之间变化，在一定的体积比约束下，材料将根据优化目标的要求进行重新分布，最终在拓扑优化的设计域内呈现出结构的最优形状和拓扑形式。
相对而言，变密度法对材料采用一种更简单的描述，它假设材料的弹性模量跟材料的密度为确定的数学关系(通常是幂指数关系)，在拓扑优化中选取单元材料密度为设计变量，通过有限元法进行结构离散，如此一来，对于每个设计单元仅用一个设计变量就能够表示，而均化方法则需要三个或更多。变密度法较小的优化计算成本对大型复杂结构来说是一个重要优势，所以这个方法在工程上得到了广泛应用。不过，采用变密度法得到的最优拓扑结构常常出现中间密度材料，即材料密度介于0和1之间，这些材料的存在是不合理的，所以变密度法的材料密度被称作“伪密度”。在OptiStruct中两种方法都可以应用，但是均化方法仅限于各向同性材料，而变密度法则可以用于各类材料。
2 方形板拓扑优化设计
首先考虑一块方形板在集中力作用下发生扭转，对其进行最小位移的拓扑优化。如图2所示，方形板为各向同性材料,其中3个角点受到位移约束,图2中所见的两个角点3个方向都被固定,另一个没有显示的角点只受到z方向的约束。集中力大小为100N，方向垂直板面向下(z轴正向)。对其进行受力分析的位移云图如图3所示。从图中可以清楚看到，最大位移发生在集中力加载处，接下来对这个角点进行以最小位移为目标函数的形貌拓扑优化，以确定加强筋的布置形式和位置，优化结果如图4。位移由最初的39.4mm减小到4.69mm(z方向)。图中黑色部分表示加强筋的位置和尺寸，通过拓扑优化后处理我们就可以完成加强筋的工程设计。
3 风力叶片拓扑优化设计
前面探讨了均匀材料的拓扑优化设计,下面针对复合材料的风力叶片进行优化。首先建立1.5MW无加强筋叶片有限元模型,如图5所示,翼型为Wortmann FX77/79 Mod系列[6]。一共划分为2055个有限元单元,其中四边形单2009个,三角形单元46个。叶片材料参数E1=206.8GPa,E2=18.6GPa,G12=4.5GPa,v12=0.21,铺层为[45 0]s对称铺层,一共有10层。叶片根部所有方向的位移和转动全部约束,叶片迎风面受到的均布载荷,考虑极限工况风速为50m/s,根据换算可得,均布载荷为1.53kPa[7]。从应力云图(上方为受载背面,下方为受载面,下同)可知,应力主要集中在靠近根部的部位,现在选择应力最大的一个单元作为最小应力拓扑优化的目标。因为在风载下,0°方向铺层应力最大,因此选择第二层的主应力为优化对象,进行风力叶片的拓扑优化。设计区域不包括根部,因为根部往往采用其它强度更高的材料,同时根部尺寸较小也不适合布置加强筋。优化中材料单元采用OptiStruct的PCOMP单元,该单元专门用于叠层板复合材料模拟计算。经过30步迭代,应力从7.52MPa减少到0.32MPa,衰减率为95.7%。图7是叶片的拓扑形状结构,黑色部分表示加强筋分布位置及尺寸。传统方法是在叶片当中布置两片加强筋贯穿于整个叶片，但从图中来看，这种加强筋可以通过增加黑色区域的铺层厚度来实现，与传统方法相比显得简单易行，提供了叶片加强筋布置形式不同的思路。
4 结论
连续体拓扑优化是正在不断发展的一种设计新方法，其理论和算法有待于更深地研究。虽然现有的算法并不能保证结果为全局最优解，但是本文应用OptiStruct分别对简单结构和复杂结构，均匀材料和复合材料进行了以位移和应力为目标的拓扑优化，结果表明拓扑优化方法能够有效的优化结构材料分布，在风力叶片及它复杂结构的优化设计方面有很大的应用前景。
摘要：基于OptiStruct的优化平台对二维薄板和风力叶片进行了不同目标的拓扑优化,给出了均匀材料和复合材料结构分别在最小位移和应力目标下的拓扑优化结构。结果表明拓扑优化方法能够对复和材料的风力叶片进行有效优化,并提供材料的优化布局方案。
关键词：OptiStruct,拓扑优化,风力叶片
参考文献
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OptiStruct 篇2
飞机结构设计中,减重是一个永恒的难题。“为了减轻飞机每一克重量而奋斗”是每一个飞机设计师的格言。因此,进行结构减重,优化势在必行。减重就意味着飞机的油耗小,成本低,更环保节能,可以减少二氧化碳的排放,才能更有竞争力。
1 拓扑优化理论基础
结构拓扑优化能在工程结构设计的初始阶段为设计者提供一个概念性设计,使结构在布局上能够采用最优方案,已经成为当今研究结构优化设计的一个热点。Opti Struct是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器,拥有先进的优化技术,提供全面的优化方法。变密度法是连续体拓扑优化的常用方法,是一种比较流行的力学建模方式,与采用尺寸变量相比,它更能反应拓扑优化的本质特征。它也正是Opti Struct中所采用的材料插值方法。变密度法的基本思想是引入0到1的可变材料,指定每个有限单元的密度相同,并以每个单元的相对密度为设计变量。当单元相对密度t=0时,表示该单元无材料,单元应删除;当单元相对密度t=l时,表示该单元有材料,保留或增加该单元。变密度法直接假定相对密度与材料弹性模量之间的非线性对应关系。以结构整体的体积约束作为优化的约束条件,以刚度最大化作为优化的目标函数,在给定载荷和位移边界条件下,基于变密度法拓扑优化的数学模型为:
其中,C(x)为结构的总体柔度,F为为力向量,U为为位移阵列,K为为结构总体刚度矩阵,V0———为整个设计域的初始体积,F为优化体积比,V是结构优化后的结构体积,Ve为优化后的单元体积,X为设计变量,Xe为单元设计变量,Xmax为单元设计变量上限,Xmin为单元设计变量下限,引入密度Xmin下限的目的是防止单元刚度矩阵奇异,p为惩罚因子,N为结构离散单元总数。
2 摇臂结构的介绍
目前,大型飞机后缘襟翼运动机构普遍都是采用滑轨引导襟翼的形式。滑轨限定襟翼的运动轨迹,襟翼与滑轨之间通过滑轮架连接,作动器的动力通过驱动连杆及摇臂的传递,使襟翼沿滑轨平动并转动。示意图见图1,摇臂结构见图2。其中,B、C两点与襟翼本体采用球铰连接,A点与作动器连杆采用球铰连接。
3 有限元模型的建立
3.1 模型前处理
为了对襟翼摇臂优化前的结构进行强度分析,需对模型进行适当的简化及网格划分。使用Hypermesh强大的几何清理功能对导入的CAD模型进行几何清理,网格划分结构如图3所示:
3.2 结构材料性能
襟翼摇臂所使用的材料为7050-T7451,材料参数如表1所示:
3.3 载荷与边界条件
由于B、C点与襟翼本体为球绞连接,因此在B和C点约束x,y和z方向的位移,以摇臂在整个飞行过程中的最严重工况,在A点上进行加载,作用力大小为Fx=5836N,Fy=16701N。采用此约束条件进行计算时会发现,由于两个球铰无法约束其绕两个球铰连线的转动,因此会出现位移的错误。因此,需要增加一个约束条件,限制加载点在z方向的位移。
对摇臂进行分析,得出其最大变形发生在A点位置,大小为10.36mm。
3.4 优化模型的建立与优化
设计空间与非设计空间:非设计空间主要是在优化中不参与优化的空间,主要是由该结构件与其他结构的接口所决定,考虑到连接点A、B和C与其他结构连接接口需要保留,因此将其连接耳片区域作为非设计区域,如图4黄色部分,而将其他部分作为设计区域,并将其中结构填实。根据结构的受力情况,摇臂主要承受弯矩,因此增加结构高度能够有效的增加抗弯能力,结合该结构的运动空间,更改后的设计区域如图5蓝色部分。
以襟翼摇臂的最大变形量10.36mm作为约束条件,以最小化总体积作为目标函数,在Hypermesh中建立拓扑优化模型。同时在优化中采用了对称约束和拔模方向约束,以保证摇臂结构的对称和优化结构的可加工性。
4 优化结构
使用Optistruct优化设计工具求解得到基于变密度法的优化结果如图6所示:
考虑到腹板在本结构中的作用,在重建CAD模型时,保留了2mm的腹板厚度。根据拓扑优化的结果及实际设计中对加工性能的要求,对襟翼摇臂重新建立CAD以及有限元模型,把优化后的有限元模型提交Radioss进行分析和结果的后处理,其最大变形量和最大应力如表2所示:
从表2中可以看出,与优化前相比,优化后的摇臂质量下降了32.9%,位移基本保持不变,最大应力增加4MPa,在材料的许用强度之内。对重建的CAD模型进行有限元分析,并对其中的应力集中处进行适当的增厚与倒圆角。优化后模型如图7所示:
5 结论
通过Optistruct拓扑优化,在不减少零件刚度增加零件最大应力情况下,零件重量由原来的2.412kg减少为1.618kg,实现了减重32.9%。
参考文献
[1]Altair Engineering Inc.Hyper Works User’s Manual Version 11.0.
[2]于开平,周传月,等.Hyper Mesh从入门到精通[M].科学出版社,2005.
OptiStruct 篇3
传统的开发流程, 计算设计往往只被用于设计 (CAD) 和工程仿真 (CAE) 阶段, 在结构的拓扑结构确定之后, 再进行尺寸等的优化, 存在较大的局限性, 原因在于结构最初始的拓扑形态是由设计者根据经验确定的, 并不能保证最初的设计是最优的, 所以最终得到的可能并不是最理想的结果[1]。
结构设计的优化方法是根据给定的结构边界、约束和工况, 根据优化设计的理论和方法, 反复进行设计和分析。通过不断的优化和分析可以使结构中的材料分布达到最优状态[2]。通过优化设计企业能缩短设计周期, 提高产品的性能。 目前通用的优化设计软件有Tosca、Optishape、Optistruct、Cenesis等。
近年来, 随着汽车工业的迅猛发展一些问题也日益突出, 尤其是能源问题和环境问题, 节能减排已经成为汽车行业不可回避的话题。对汽车设计也提出更高的要求, 即尽可能地使结构轻量化和实现较少的尾气排放。目前国内外汽车业对于结构拓扑优化这块已经了较多的研究成果, 而对现有产品结构进行拓扑优化和形貌优化联合设计的研究很少[3,4,5,6]。
本文通过Optistruct软件采用变密度法对某汽车ESP支架进行拓扑优化和形貌优化联合优化分析, 在提高支架强度和一阶固有频率的同时减少支架的重量。
1 变密度法
变密度法是拓扑优化方法中常用的一种, 它的基本思想是利用有限元法将连续体离散化并赋予一个相同的密度, 结构中的弹性模量与材料的相对密度是关联在一起的, 优化时以每一个单元的相对密度为设计变量。优化过程通过材料相对密度的变化带动结构弹性模量的变化, 从而达到调节结构刚度的目的。
基于变密度法的材料属性的数学模型可表示为:
式中:ρo是实际结构的密度;xe为单元的相对密度系数, 0<xe<1;ρ (x) 为相对密度系数对应的材料密度;Eo为实际结构的弹性模量;E (x) 为相对密度系数对应的弹性模量;p为惩罚因子, 该因子说明相对弹性模量与实际结构的弹性模量不成线性关系, 优化时以单元的相对密度xe为设计变量。
2 汽车ESP支架优化设计
2.1 定义初始设计区域和建立有限元模型
图1 是某车型汽车ESP总成, 支架通过3 个安装孔固定在车身上, 支架上方为ESP, 支架与ESP通过支架上的3 个安装孔固定。原设计在强度和固有频率上都没有达到目标要求, 需要对支架进行重新设计。图2 为结构优化的原型, 在原型中已经去掉了原结构上面的加强筋和一些小的特征。根据支架的特点采用四边形的壳单元对支架进行网格划分, 得到的单元总数为5063 个, 节点数为5280 个。有限元模型如图3 所示。3 个与车身连接的螺栓孔可视为刚性连接用RB2 单元连接, 3个支撑ESP的孔耦合在一起施加100N的力。支架材料为20 钢。弹性模量、泊松比和材料的密度分别为206 GPa、0.3 和7.8 g/cm3, 板厚为2 mm。。
设置了优化变量后, 下一步要完成的是明确拓扑优化的目标和约束条件。由于是采用拓扑优化和形貌优化联合仿真, 设计的目标为加权应变能 (柔度) 和加权模态最小化, 设置起筋角度为60°, 起筋高度为4.0。设计约束为第一阶模态频率大于200 Hz。设计变量为单元的密度和节点形貌。
2.2 拓扑优化及后处理
在完成前面的工作后, 开始进行优化计算, 经过19 步迭代后, 拓扑优化完成。目标函数随迭代次数变化的情况如图4 所示。
选择第19 步的优化结果, 可查看设计材料的最优化布局的云图, 如图5 所示。红色部分为相对材料密度接近1 的部分, 该部分应保留。蓝色部分为相对材料密度接近0 的部分, 该部分可以去除。图6 为单元密度值为0.12 时的材料最优化等值面图。
图7 为支架加强筋的位置分布图, 最后的二次设计时需同时考虑图6 和图7 的结果。
2.3 ESP支架的二次设计及有限元分析
利用Hyperworks提供的OSSmooth工具将优化设计得到的设计空间中的相对密度小于0.12 的单元去掉, 得到最优化结构, 如图8 所示。把最优结构导入到CAD软件中, 考虑实际工艺要求及设计经验, 最终设计结果如图9 所示。
表1为优化前和优化后结构的前4阶模态的变化。从表中可以看出, 结构修改后, 支架的一阶固有频率比修改前高出48%, 且已超过200 Hz, 而支架重量从385 g下降到362 g, 减少约为6%。
根据拓扑优化的支架结构, 利用大型有限元软件Abaqus对其进行有限元强度分析, 并与原结构进行对比, 由表2可以看出, 优化后的排气管吊耳支架在工况1下最大应力为236.7 MPa, 比原来降低了25.6%。所以, 新结构的材料分布更加的合理, 结构也更加趋于安全。
通过结果分析对比可以发现, 优化设计后的支架结构强度比之前的更高。通过对汽车ESP下支架优化前后的性能比较, 证明了通过拓扑优化和形貌优化联合设计仿真可以在提高零件的强度和性能的同时有效地减少零件的质量。
2.4 台架试验模拟分析
根据上述分析将优化前后的汽车ESP支架进行台架试验疲劳分析, 并将疲劳计算参数对改进前和改进后的方案进行S-N (全寿命) 分析[3], 分析时所施加的载荷大小与有限元分析的载荷相同, 对支架进行疲劳试验, 分析结果显示优化后的支架在进行了1.85×105次时出现微裂纹, 而改进前的支架在进行到1.04×105次时就出现了微裂纹, 疲劳强度显著提高。
3结论
通过对某汽车ESP支架的拓扑优化和形貌优化联合仿真, 并进行结构修改分析, 可以得到如下结论:1) 优化后的支架, 其一阶固有频率比修改前高出48%, 重量下降6%, 优化效果明显。2) 通过拓扑优化和形貌优化联合仿真的方法可以快速地在钣金类结构中找到加强筋的位置和数量, 同时减少零件的质量。应用这种方法可以大大地减少零件的分析和测试次数, 加快产品的开发进度, 减少生产成本。3) 基于Optistruct的拓扑优化和形貌优化联合设计分析方法有效地增加了支架的疲劳寿命。此设计方法可应用于其它汽车钣金类零部件的优化设计。
参考文献
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OptiStruct 篇4
为提高发动机支架加工的经济性和降低生产成本,发动机支架结构的轻量化设计与研究逐渐被越来越多的发动机制造企业所重视。目前发动机支架的轻量化工作主要是从材料和结构两方面着手。通过寻找新型功能材料替代传统的钢和铸铁是减重的有效方式之一。结构方面,现代发动机支架无论是整体造型还是各功能部件的布置,都与传统发动机支架发生了比较大的变化。近年来兴起的结构优化设计是根据算法合理分配优化对象(比如尺寸等设计参数、形状、材料)以保证发动机支架整体的刚度等特性,从而让支架结构设计摆脱了对应验的盲目依赖。结构优化设计主要分尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化,具有更多的设计自由度,能够获得更大的设计空间,是结构优化最具发展前景的一方面。
1 拓扑优化技术
结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的一个新兴的分支。拓扑优化是根据既定的结构类型、形式、工况、材料和规范所规定的各种约束条件(如强度、刚度、频率等),提出优化的数学模型(包括目标函数、约束条件和设计变量),其模式是根据优化设计的理论和方法求解优化模型,最后达到材料的合理分配,使结构满足设计要求[1]。这使得人们在解决工程问题时,可以从无数设计方案中找到最优或者尽可能完善的设计方案,从而大大提高工程设计效率。目前拓扑优化技术已成为结构优化设计的重要方法,广泛应用于航空、造船、工程机械、汽车机械、机床制造业等行业,并取得大量研究成果[2]。
1.1 拓扑优化原理和优化方法
拓扑优化是结构优化的一种,其研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化,不论哪个领域,都有依赖于有限元方法。结构拓扑优化是在一定的外力和作用下,寻求具有最佳传力路径的结构布置形式。对于连续体的结构的拓扑优化设计问题,基本方法是将设计区域划分为有限单元(比如壳单元或者体单元),并依据一定的算法删除部分单元区域,形成带孔的连续体,从而实现连续体的拓扑优化,其本质上是一种0-1离散变量的组合优化问题。离散结构拓扑优化是在设计空间内建立一个由有限个梁单元组成的基结构,把离散变量的优化问题松弛为一个连续变量的优化问题,将基于连续变量的导数优化算法应用于优化中,也就是用连续设计变量的优化模型替代原离散的设计模型,从而实现拓扑优化。目前连续体拓扑优化方法主要由均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法(ESO)以及水平集中法等。离散结构拓扑优化主要是在基结构方法基础上采用不同的优化策略(算法)进行求解,比如基于遗传算法的拓扑优化等。目前,连续体拓扑优化的研究已经较为成熟,其中变密度法已经被应用到商用优化软件中,其中最著名的是美国Altair公司Hyperworks系列软件中的Opti Struct优化模块和德国Fe-design公司的Tosca等。前者能够采用Hypermesh作为前处理器,在各大行业内应用最多。
1.2 变密度算法的原理和数学模型
变密度算法是引入一种假想的密度可变材料,将连续体离散为有限元模型后,将每个单元内的密度指定为相同,并以每个单元的密度为设计变量。当每个单元的相对密度Xe=1时,则表示该单元为有材料,保留或增加该单元(实体);当Xe=0时,表示该单元没有材料,单元应该删除(孔洞)。拓扑优化时,应尽量使材料的相对密度为0或者1分布在设计区域。
以结构的柔顺度(变形能)最小为目标,考虑材料质量约束(或体积约束)和结构的平衡条件,则变密度法拓扑优化数学模型为:
式中,C为结构的柔顺度;F为载荷矢量;K为刚度矩阵;D位移矢量;V为结构充满材料的体积;V0为结构设计域的体积;V1为单元密度小于Xmin的材料的体积;f为剩余材料百分比;Xmin为单元相对密度的下限;Xmax为单元相对密度的上限[3]。
2 实例应用
2.1 发动机支架结构
2.1.1 建立发动机支架的CAD/CAE模型
通过三维CAD建模软件Solid Works建立起发动机及其支架的几何模型。由图1可以看出,该型号发动机通过上下两根连接螺栓与发动机支架相连。发动机本身质量是108Kg,发动机的重力通过两根连接螺栓加载在支架上;同时,由于发动机转动时会产生振动,通过连接螺栓会带动支架做振动。因此,在实际的CAE分析中,可以将发动机简化为一个质点,赋予之108Kg的质量;同时,该质点与螺栓连接的方式是RB3,即该质点与支架螺栓孔之间不是刚性连接而是可以做相互运动,如图3所示。
2.1.2 发动机支架结构
该发动机的结构通过传统的经验、类比设计方法得出,主要由1块底板和2块纵向肋板构成如图2所示。支架上有2个用于与发动机相连接的螺栓孔,5个与支架底座连接的螺栓孔。这5个螺栓孔在与支架底座相连接时,螺栓孔可视为刚性结构,在CAE模型中用RB2连接方式表示如图3所示。尽管支架的结构已经较为简化,但是支架底板仍显得笨重,还有一定的轻量化的空间。
2.2 发动机支架的优化
2.2.1 发动机支架有限元模型的静态特性和动态特性分析
考虑到优化对象是支架,只需将三维支架的CAD模型导入到分析软件Hyper Mesh中,得到其有限元模型。通过Hyper Works自带的Hyper Mesh软件进行有限元单元划分。Hyper Mesh具备强大的单元划分和重构功能,利用该软件对发动机支架进行网格划分,并检查网格质量,务必使单元网格质量都符合计算要求。在划分支架体单元时,为保证后续有限元分析和拓扑计算的精确性,取支架的单元网格是二维单元网格。支架的结构是个连续体,质量和弹性连续分布,应具有无穷多个自由度,即具有无穷多阶模态。发动机主轴最高转速达到3500r/min,因此外界的激振力的频率应该远远低于发动机运行时产生的激励力频率,没有共振的可能,对发动机运行影响不大。所以只需要研究如何提高支架的低阶模态的固有频率,以便能够有效地降低因发动机启动时共振的可能性。发动机支架的前三阶模态能够明显表现出支架的动态特性。取支架的材料是HT200,取弹性模量E=2.1e5 MPa;泊松比=0.3;密度7.9e-9ton/mm进行计算。
2.2.2 发动机支架CAE模型的拓扑优化分析
由于发动机支架是通过5个固定螺栓孔与底座相连,因此,需要给这5个螺栓孔赋予全约束。发动机的重力可视为支架的外载荷,其与支架的连接方式通过RB3明确下来。在确定发动机支架的载荷和边界条件后,拓扑优化分析还需要明确优化参数。首先定义发动机支架的拓扑优化变量及优化变量的取值空间。图3中黄色区域是发动机支架的螺栓孔位置,不能参与拓扑优化,需要排除在优化变量空间之外;相应的蓝色区域就是拓扑优化变量的取值域。
设置了优化变量后,下一步要完成的是明确拓扑优化的目标和约束条件。此处,以提高发动机支架的刚度为目标,以一阶固有频率不低于原值为约束条件进行设置。Opti Struct优化模块用柔度来体现刚度。柔度是刚度的倒数,柔度越小则刚度俞大。优化的目标和约束都是建立在响应的基础上。显然,刚度目标的响应是柔度,目标值取最小(min);优化约束的响应是一阶固有频率,取不低于原值。图4为是经过9次的优化迭代后计算出来的支架的变形密度云图。
2.2.3 发动机支架改进及与优化前的比较
拓扑优化的结果大都是不规则的空间结构,需要对拓扑优化结果进行抽象和简化。新的支架结构改进工作是建立在拓扑优化密度云图的基础上。根据拓扑优化密度云图,在支架底板上开凿出1个腰形孔和1个方孔。改进结构后发动机支架的三维立体图如图5所示。
将此发动机支架重新进行静态特性和动态特性分析分析,并与原支架进行比较,得出结果见表1。
改进后的发动机支架的柔度稍微有所降低,即刚度有所提高;前三阶固有频率都有所提高,同时质量降低了2.51Kg,可以说基本上达到了优化的目标。同时,新支架的结构改变之处,加工工艺非常容易达到,不会给支架的改进工作带来非常大的困难。
3 结论
综上所述,建立在限元分析基础是的拓扑优化技术为结构的优化改进工作提供了方向性的指导。发动机支架轻量化设计技术与应用将会大大降低机床材料的消耗,为生产“节能减排,绿色环保”发动机及相关产品探索了一条新路。随着拓扑结构优化理论的进一步成熟,发动机支架的轻量化工作将会对我国汽车及相关产业的发展产生越来越大的积极作用。
摘要：本文利用Solidworks三维建模软件建立发动机支架的原始CAD模型,并将其CAD模型导入Hy-permesh生成三维模型,对发动机支架有限元模型的静态特性和动态特性分析,进而利用Hypermesh自带的Optistruct优化模块中的变密度拓扑优化算法对发动机支架的结构进行了优化。得到的拓扑优化结果和优化前相比较,改进后的发动机支架的柔度稍微有所降低,即刚度有所提高,前三阶固有频率都有所提高,表明拓扑优化结果具有理论指导意义,拓扑优化结果为后续的详细设计改进工作提供了理论依据。
关键词：发动机支架,刚度,有限元分析,结构优化
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