船用燃油分离器支架拓扑优化设计

周庆，彭景辉，王晓磊

（上海齐耀动力技术有限公司，上海 201203）

水下船受自身结构空间的限制，对船上设备重量及外形尺寸的要求都非常高，通常船用支架等的结构设计是通过经验、工艺和安全余量来进行，未注意设备及支架本身结构的最优设计，进而导致多个设备及支架的累积起来的冗余重量影响着整个水下船设备模块的重量，不利于整体水下船的性能和竞争力。

随着我国整体的制造能力和设计能力的提升，越来越多的精细结构设计可以被加工出来并付诸应用，同时水下船设备及支架的设计水平也亟需提升，与时俱进，尤其在前期的设计开发阶段，精细化设计直接影响到最终产品的性能。

本文通过正向设计，在下船用燃油分离器支架的前期设计阶段，利用拓扑技术，以整体支架重量为优化目标，保证结构的整体刚性和强度的前提下，大幅度降低支架的重量。通过支架的拓扑优化设计给出类似产品的正向开发的基本思路，使类似船用产品在设计初期就把握住结构优化设计的大方向，提高产品的整体性能。文献提出了优化设计理念，值得后续探究。

1 燃油分离器支架建模

采用Creo2.0软件对燃油分离器支架进行建模，燃油分离器的底部与基座通过螺栓固定，燃油分离器的重量约5kg，侧挂式安装，通过螺栓固定在燃油分离器的支架上。船用燃油分离器支架三维模型如图1所示。

船用燃油分离器支架在优化前的外形尺寸为：长×宽×高= 81mm×38.5mm×98mm；优化前重量为：0.252kg。

2 网格划分

通过Mesh软件，完成对船用燃油分离器支架三维模型所进行的网格划分，由于考虑到拓扑优化能够更精确，将最小网格宽度设为5mm，网格模型见图2。

图1 船用燃油分离器支架三维模型

图2 支架网格模型

3 边界条件设定

通过船用燃油分离器支架三维模型可以看出，支架底部和固定螺栓孔与基座固定，受固定约束，分离器固定通孔受船用燃油分离器重量的影响，上下两个固定孔共受向下方向的力约50N。2个分离器固定通孔之间的大孔用来匹配燃油分离器，是工艺孔，该孔结构在优化时不能改动。

将上述边界条件分析作为拓扑优化的输入条件，将优化目标确定为减重50%。

4 拓扑优化计算

图3是数值仿真软件拓扑优化的计算结果，红色区域为材料去除部分，中间蓝色部分是指保留部分，利用拓扑优化软件直接计算得到船用燃油分离器减重模型，并通过croe软件完成去除材料后模型建模，如图4所示。结构拓扑优化后重量由0.252kg减至0.135kg，减重0.117kg，减幅46.4%。

外形尺寸由×宽×高=81mm×38.5mm×98mm，减重长×宽×高= 65mm×38.5mm×98mm。

5 结语

本文对水下船用燃油分离器支架进行拓扑优化设计，根据实际的使用情况作为边界条件，以减重50%为目标，在强度等性能不降低的前提下进行拓扑优化设计，最终重量由0.252kg减至0.135kg，取得了预计的结果。

图3 拓扑优化后模型

图4 拓扑优化后模型建模

提出在产品开发初期进行产品精细化设计，避免结构尺寸上冗余，为水下船上相关设备及支架等设计提供基本的设计思路。

后续将会有文章对本文拓扑优化前后的结果进行强度校核，因此本文只进行拓扑优化设计，不进行强度校核比较。