摘要：本文基于Altair solidThinking軟件中的Inspire模塊對發動機懸置和發電機支架進行了拓撲優化設計，在保證支架強度的情況下，支架重量減少25%，拓撲優化支架一階模態頻率數值由原結構的106Hz提高到158Hz，提高了49%，為零部件的概念和詳細設計提供指導。

關鍵詞：Inspire；發電機支架；強度；模態；拓撲優化

1  拓撲優化背景

某型號發動機基于結構布置，懸置支架和發電機采用一體鑄件的形式固定于發動機前端，結構如圖1所示。                   

                              1.機體 2. 支架A  3.支架B  4.發電機 5.發電機支架6.張緊輪 7.懸置支架

                                                      圖1 發動機和發電機復合支架

發電機支架通過支架A和支架B固定在機體前側，張緊輪固定在發電機支架前側，懸置支架通過螺栓固定在機體左側。鑄造一體的發動機懸置與發電機支架如圖2所示，整體采用的是實心的球鐵鑄造，鑄造厚度10~12mm。在仿真計算中其模態較低，應力相對較小，為此欲通過拓撲優化，在保證支架強度前提下，降低材料用量，提高模態。

                                                              圖2 原發動機懸置和發電機支架

2  拓撲優化原理

拓撲優化是一種根據約束、載荷及優化目標尋求結構材料最佳分配的優化設計方法。其主要基于變密度理論，將材料的中間密度單元引入材料插值模型，把離散元的問題變成連續型，優化過程中要通過懲罰因子對無法制造和存在的中間密度單元進行控制。本文基于SIMP的材料插值模型，以支架的剛度最大化為設計變量，以設計空間的單元相對密度為設計變量，以模型體積和支架模態為約束條件，建立的拓撲優化設計的數學模型。

3  拓撲優化模型的建立

3.1 幾何處理

    將發動機懸置與發電機支架模型導入到Inspire軟件中，利用簡化工具去除模型的圓角與倒角；利用剪切工具，根據模型的幾何結構，將模型剪切成若干板塊，為后期設置拔模方向和形狀控制做準備；利用分割工具將模型的螺栓孔按徑向3mm分割出來，利用布爾運算合并有相同屬性的板塊，將拓撲優化的板塊設置為設計空間。幾何處理后的模型如圖3所示，其中深色區域為設計空間，淺色為非設計空間。

                                                                圖3 拓撲優化模型

3.2 材料屬性

優化模型中的支架采用QT450材料，機體采用HT250材料，零部件的材料參數如表1所示： 

                                                                                   表1 材料屬性

 3.3 建立約束

添加發動機的總成質心525kg、發電機總成質心12kg、發電機皮帶輪的質心0kg、張緊輪的質心1kg、上端管路的質心1.5kg，以及懸置支架的固定點1kg。利用連接器將各質心點耦合到對應的連接孔位。在兩零件連接處的螺栓孔位上添加螺栓，兩零件的接觸區域設置為接觸，各板塊的接觸為綁定接觸，約束連接如圖4所示。

                                                                   圖4 約束與接觸

3.4 載荷工況

在懸置支架固定點處和拉桿末端兩孔位添加固定約束，施加重力的方向為豎直向下，施加發電機皮帶力與張緊輪預緊力，在發動機總成質心、發電機總成質心、張緊輪質心與上端管路質心處施加六向重力沖擊載荷，具體如表2所示。

                                     表2 載荷工況

3.5 形狀控制

在模型設計空間添加單向拔模方向，設置兩側板形狀控制方式為平面對稱，如圖5所示。

                                                                          圖5 形狀控制

3.6 優化參數設置

本次優化主要是在保證剛度的情況下，對支架進行優化。

1）  優化目標：最大化剛度；

質量目標：設計空間總體積的35%；

2）  頻率約束：最大化頻率；

厚度約束：最小12mm，最大24mm；

3）  其他：施加重力，應用于所有載荷工況。

4  優化結果與驗證

運行優化，調節模型材料體積控制，使各個連接固定點的材料連續，得到的拓撲優化結果如圖6所示。

                                                                          圖6 拓撲優化結果

基于原支架拓撲優化結果的形狀，利用推拉命令拉伸出支架的基本形狀，然后導入Creo，按照近似尺寸重新設計發動機懸置與發電機支架，各板件連接處進行圓滑過渡處理。

                                                                           圖7 拓撲優化支架三維圖

支架重量由原方案的11.73kg，減輕至8.78kg，降重25%，拓撲優化支架三維如圖7所示。支架各側板相對原支架都有縮減，鑄造工藝性難度增加，在大批量生產中可明顯節約成本。隨著鑄造工藝技術的提高和3D打印技術的成熟，拓撲優化技術的優勢愈加明顯。重新調整支架連接，拉伸出機體簡化結構并賦予材料，將支架和機體通過增加5顆螺栓來連接，增加發動機的懸置支撐，通過簡正模式對兩支架進行分析。拓撲優化支架一階模態頻率如圖8所示，一階模態數值由原結構的106Hz提高到158Hz，提高了49%，其一階頻率高于發動機額定轉速2300rpm對應一階激振頻率115Hz，一階頻率的安全系數為1.37，滿足設計放行要求。

                                                                            圖8 一階模態頻率

對支架系統施加六向靜力沖擊載荷，原支架與拓撲優化支架應力結果如表3所示。在相同載荷工況下，拓撲優化支架的應力高于原支架，說明隨著材料的減少，拓撲優化支架的強度有所降低。兩支架在向上的沖擊載荷工況下受到的Mises應力最大，應力如圖9所示。兩支架的最大Mises應力值分別為189 MPa和222 MPa，均低于所應用材料QT450的屈服應力極限310MPa，支架應力滿足要求。

                                                              圖9 向上沖擊載荷工況Mises應力

                               表3 支架在各向沖擊下應力計算結果

5  結語

（1）拓撲優化后發動機懸置與發電機支架的質量減少25%，節約了零件材料成本，減輕了整機質量，提高了燃油經濟性。

（2）優化后支架一階模態頻率數值為158Hz，高于發動機額定轉速對應的激振頻率115Hz，模態滿足要求。

（3）優化后支架的最大Mises應力值為222MPa，低于所應用材料QT450的屈服應力極限310MPa，應力滿足要求。

（4）拓撲優化支架各板塊去除材料較多，鑄造模具開發難度大，在大批量生產中，節約制造成本較明顯。

（5）隨著鑄造技術水平的提高和3D打印技術的成熟應用，拓撲優化技術的應用也會更加廣泛。

 參考文獻

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