基于OptiStruct形貌优化的增压器隔热罩设计

汪凯　王旻　龙艳平

摘要： 以涡轮增压器隔热罩设计为例，介绍形貌优化的基本原理和应用方法，运用OptiStruct对隔热罩进行形貌优化，迅速准确地找出最优的加强筋布置方案，提高增压器隔热罩的模态，有效避免隔热罩与发动机的共振现象，降低隔热罩的频率响应应力，提高增压器的设计质量，减少优化设计时间。

关键词：OptiStruct； 形貌优化； 隔热罩； 加强筋

中图分类号： U464.23； TP391.7

文献标志码： B

Abstract：Taking turbocharger heat shield design as an example， the basic principle and application of topography optimization method is introduced. Using the topography optimization of heat shield based on OptiStruct， the optimal layout of strengthening ribs is found quickly and accurately， and the modal of turbocharger heat shield is improved. The resonance phenomenon between the heat shield and engine is avoided effectively， and the frequency response stress of heat shield is reduced. The design quality of the turbocharger is improved， and the optimization design time is reduced.

Key words：OptiStruct； topography optimization； heat shield； strengthening rib

0 引 言

發动机涡轮增压器隔热罩是涡轮增压器发动机的重要附属部件，其主要作用是对高温涡轮增压器的涡轮壳进行隔热和防护。涡轮增压器的振动加速度较大，隔热罩的工作环境恶劣，而隔热罩又是典型的薄壁结构，对振动比较敏感，结构设计的好坏直接影响其自身的强度和发动机的NVH性能。[1]因此，提高隔热罩的模态、避免发生共振是隔热罩设计的重要任务之一。针对薄壁结构，最经济的常用方法是冲压加强筋工艺。因此，如何起筋是工程师们需要面对的重要问题之一。

在传统设计中，只能依靠工程师的经验提出起筋方案，然后再对每一种设计方案进行CAE分析验证。整个设计流程就是“设计-分析-改进方案-再分析”的往复循环，初始设计方案具有盲目性，设计周期长、效率低，不利于产品的设计开发。[2]OptiStruct提供的形貌优化是一种形状最佳化的方法。该方法可以在板形结构中寻找最优加强筋分布的概念设计，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构质量的同时能满足强度、频率等要求。[3]运用OptiStruct形貌优化可以快速找到最佳的起筋方式，缩短设计周期，提高设计质量。

本文以增压器隔热罩为研究对象，运用OptiStruct中的形貌优化对其起筋方式进行优化，最终达到提高隔热罩模态、改善隔热罩结构强度的目的。

1 形貌优化的数学模型和优化流程

形貌优化有三要素，即设计变量、约束条件和目标函数。设计变量是自变量，在优化过程中主要通过改变设计变量的数值实现优化设计。每个设计变量都有上下限，以定义其变化范围。约束条件是对设计的限制，一般包含对设计变量和其他性能的要求。目标函数是设计变量的函数，即要求达到的最优设计性能。目标函数可以是单目标函数，也可以是多目标函数。

形貌优化的数学模型可简化表述为

对隔热罩原始设计模型进行网格划分，施加载荷和约束，进行模态和频率响应分析。根据分析结果判断隔热罩模态和强度是否满足要求，对不满足要求的隔热罩进行优化改进：第一步，确定优化区域、优化目标和约束条件；第二步，定义起筋参数，如加强筋的高度和最小宽度等；第三步，进行形貌优化，得到加强筋的布置方案；第四步，根据优化方案更改设计。对优化方案重新进行CAE分析，判断优化方案是否可行，如果优化方案不能满足要求，则重新进行优化，直到满足设计要求为止。[5]隔热罩形貌优化设计流程见图1。

2 原始模型CAE分析

2.1 原始模型模态和频率响应分析

某发动机的增压器隔热罩模型见图2。在试验中发现隔热罩在A区域出现裂纹，见图3。

在Abaqus中可以分析复杂的固体力学和结构力学问题，模拟庞大复杂的模型，处理高度非线性问题，对结构的模态分析和频率响应计算也较为可靠。[6]针对上述问题，在Abaqus中建立该隔热罩的模态和频率响应分析模型。

对原设计隔热罩进行模态和频率响应分析，得到该模型隔热罩的前5阶模态，见表1。开裂区域频率响应应力的最大值为195.6 MPa。

在频率响应分析中，增压器隔热罩上的加速度激励采用图4的数据，试验测点位置为隔热罩上的螺栓安装点。测试数据位于发动机坐标系，其中，x方向为曲轴轴向方向，y方向为进排气方向，z方向为气缸轴线方向。

2.2 优化思路

根据试验数据和仿真结果，初步判断该隔热罩的模态过低，导致频率响应应力过大，不满足设计要求。第4阶模态频率在200 Hz附近，与加速度激励峰值频率相近，易与发动机发生共振，造成隔热罩应力过大，出现开裂。据此，确定本文的优化思路为提高隔热罩的模态，使其模态频率避开200 Hz。

3 形貌优化

3.1 有限元模型建立

在HyperMesh中进行网格划分。隔热罩是薄壁结构，用壳单元进行模拟，单元类型为CTRIA3、CQUAD8和CTRIA6[7]，平均单元尺寸为2 mm，螺栓固定点采用RB2单元模拟，最后建立的有限元模型共有节点144 384个，单元73 526个。优化计算隔热罩的约束模态，约束点为隔热罩两侧的螺栓安装点。最终建立的有限元模型见图5，模型中各部件的材料力学性能参数见表2。

3.2 优化模型定义

形貌优化中的加强筋参数包括加强筋的宽度、高度、起筋角度以及设计区域与非设计区域之间的过渡区尺寸等。本次优化将加强筋的最小宽度设置为5 mm，起筋角度设为60°，最大加强筋高度设为5 mm，见图6。加强筋的布置方式采用一平面对称，加强筋的拉伸方向为单元法向。[8]在Responses中定义隔热罩的第1阶频率为响应，在Objective中定义目标函数为隔热罩约束模态的第1阶频率达到最大值。

3.3 形貌优化结果

在OptiStruct求解器中选择Optimization模块提交计算，经过多次迭代后得到最优模型；在HyperView中查看计算结果，可以得到加强筋的布置方案[9]见图7。图7中：红色区域为需要添加加强筋的区域；蓝色区域表示此处无须添加加强筋，保持原状即可。

基于上述优化结果，综合考虑制造工艺，得到优化方案的数值模型，见图8。

4 優化结果验证

在Abaqus中对上述优化方案进行模态和频率响应[10]分析。优化前、后隔热罩模态对比见表3，优化后隔热罩第1阶模态振型见图9。由此可以看出，隔热罩前5阶模态都得到大幅提升，且有效避免与发动机共振。开裂处的最大频率响应应为54.36 MPa，下降幅度为72.21%，满足设计要求。

5 结束语

采用OptiStruct形貌优化技术找到增压器隔热罩的最佳起筋方式，提高隔热罩的模态，降低隔热罩的频率响应应力，使隔热罩达到设计要求。上述优化方法可以为设计者提供新的设计开发思路，帮助提高设计质量、缩短产品开发设计周期，是设计开发工程师的好工具。

参考文献：

[1] 张中正， 马力， 杨中明， 等. 基于形貌优化的隔热罩设计研究[J]. 汽车零部件， 2011（7）： 81-85. DOI： 10.3969/j.issn.1674-1986.2011.07.029.

[2] 崔保石. 基于OptiStruct的电池支架形貌优化计[C]// Altair大中国区用户技术大会论文集. 北京， 2011.

[3] 廖勇军， 夏丽华， 张立双， 等. 基于OptiStruct的形貌优化在变速器箱盖模态预测中的应用[C]// Altair大中国区用户技术大会论文集. 北京， 2011.

[4] 张胜兰， 郑冬黎， 李楚琳， 等. 基于HyperWorks的结构优化设计技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007： 13-213.

[5] 王承. 支架形貌优化设计方法研究[C]// Altair大中国区用户技术大会论文集. 上海， 2007.

[6] 石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 2-301.

[7] 张松波， 周建文， 毛显红， 等. 形貌优化技术在车身NVH性能控制中的应用[C]// Altair大中国区用户技术大会论文集. 上海， 2009.

[8] 洪清泉， 赵康， 张攀， 等. OptiStruct & HyperStudy 理论基础与工程应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012： 2-133.

[9] 李楚琳， 张胜兰， 冯樱， 等. HyperWorks 分析应用实例[M]. 北京： 机械工业出版社， 2008： 122-255.

[10] 齐威. Abaqus 6.14 超级学习手册[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2016： 295-324.

（编辑 武晓英）