摘要：對發動機后吊鉤的設計，通常借用已經投產機型的零件進行改進設計，而本文借助于Altair公司的solidThinking Inspire軟件，對發動機后吊鉤進行了拓撲優化設計。與傳統設計方法對比表明，采用軟件優化的結構在關鍵區域的最大位移減少了74%。 

     關鍵詞：發動機后吊鉤 拓撲優化 solidThinking Inspire

     1概述

     發動機后吊鉤主要用于發動機吊裝過程中，是一個非標準件。常見的吊鉤結構為：底部有與缸蓋螺栓連接的螺栓孔，頂部有與鏈條鉤頭相連的吊耳，中間有固定其他附件支架的安裝孔。吊鉤在工作過程中，既要滿足強度要求，不能發生破壞，同時也要滿足剛度要求，不能發生大變形，否則固定在吊鉤上的其他零件就可能產生失效風險。 

     對發動機后吊鉤的設計，通常采用借用已經投產機型的零件，并根據現有機型的空間布置和零件受力情況進行適當改進的方法。這種傳統的設計方法受到設計者經驗的限制，一情況下會盲目的增大零件尺寸，改進后的結構往往并不是最優設計方案。 

     本文以JMC某發動機后吊鉤為例，則借助于Altair公司的solidThinking Inspire軟件，通過建立拓撲優化基本模型、定義優化空間、施加邊界條件和載荷條件、選擇合適的控制目標進行拓撲優化，軟件優化出的結構往往并不是最終結構，只提供概念設計思路，還需要考慮結構形狀，加工工藝等因素進行合適的CAD后處理。這種方法不受設計經驗的限制，能夠在不知道結構拓撲形狀的前提下，根據已知邊界條件和載荷條件確定比較合理的結構形式，CAD后處理時可以短時間內做出多種方案，進而選擇出最優方案。

     本文最后還把通過軟件優化出的結果與傳統設計方法設計結果進行了對比分析。

     2發動機后吊鉤的優化設計 

     2.1定義設計空間及非設計空間 

     根據實際機型發動機空間布置，建立用于拓撲優化的基本模型（如圖1所示）。模型中灰色部位定義為非設計空間，在優化過程中不發生改變；棕色部位定義為設計空間，通過優化計算，挖掉設計空間中多余部分，所剩部分所構成的形狀則被認為是拓撲優化的結果。右鍵點擊設計空間對其賦予材料屬性，由于是概念設計階段，solidThinking Inspire 軟件材料庫中只有簡單幾種典型材料可供選擇，我們選擇軟件默認的的Steel (AISI304)。

                                                                                 圖1定義設計空間與非設計空間

     2.2添加邊界條件和載荷條件

     考慮到工程實際應用，我們還要對已經賦予了材料屬性的模型添加真實的邊界條件和載荷條件，這樣solidThinking Inspire優化出來的結構才能滿足實際工作需要。 

     如圖2所示，根據實際工況在后吊鉤底部兩個螺栓孔處添加支撐約束,在吊耳處添加（X，Y，Z）三個方向的載荷約束（-474N，357N，950N）。

                                                                                圖2后吊鉤的支撐約束和載荷約束

     2.3定義優化目標 

     為了獲得剛度最大的結構，如圖3所示，在solidThinkingInspire中定義質量目標為設計空間的35%，頻率目標為最大頻率，最小厚度控制為0.5mm。 

     定義好上述各項后，點擊運行，solidThinkingInspire會自動檢查以確保模型是否準備好，邊界條件和載荷條件是否存在，如果檢查無誤，系統會繼續進行優化計算。

                                                                                圖3設定優化目標

     2.4CAD后處理 

     優化計算完成后可以得到如圖4所示的拓撲結構，該結構并不是最終的設計結構，考慮到結構形狀，加工工藝等因素，對solidThinking Inspire優化的結構進行了多種方案CAD后處理，選出最優方案（如圖5所示）。

                                                                                圖4 軟件優化結果

                                                                                圖5 CAD后處理結果

     3優化結果分析驗證

     設計工程師采用傳統設計方法，借用已經投產機型的零件并進行改進，提出了如圖6 所示的結構。該結構初看貌似比我們用solidThinking Inspire優化的結構更簡單合理。下面我們用CAE軟件對這2種結構進行對比分析（分析重點是吊鉤在工作過程中的最大變形，以減小吊鉤大變形對固定在其上的其他零件的影響），分析結果如圖7所示。

                                                                                圖6 設計工程師提出的結構

                                                                                圖7兩張設計方案剛度對比

     從圖7可以看出，雖然Case1初看貌似比Case2結構更簡單合理，且重量少0.01Kg，但其剛度遠低于Case2，利用solidThinking Inspire優化后的結構比傳統設計方法設計的結構可以有效減小最大位移74%。

     4結論

     與傳統設計方法相比，利用solidThinking Inspire軟件優化設計的方法不受設計經驗的限制，在優化設計中考慮了真實邊界條件和載荷條件，優化后的結果既能滿足零件的功能性需要，又能滿足零件的可靠性需求。在汽車零部件產品開發過程中，應盡可能多的引入產品優化設計方法，這樣才能極大地節省產品開發效率，提高產品質量。

     5參考文獻

     [1]劉惟信，機械最優化設計.[M].北京：清華大學出版社，1994. 

     [2]鄧小龍，方子帆，劉國慶，動力總成懸置支架拓撲優化研究，三峽大學學報（自然科學版），2006，Vol28（3）2006

  

---

    【想獲得更多信息，請加技術鄰微信客服 jishulink888。也可以申請試用、免費測算、報名培訓、研發人員20人以上的企業可以申請免費上門內訓】