摘要：商用車發動機在怠速和工作中會產生較大的振動和噪聲，與其相關零部件的振動特性就顯得尤為重要。為了降低發動機油底殼輻射噪聲以及達到輕量化的目的，設計中考慮將油底殼材料由鋼換成塑料，本文運用Altair公司的OptiStruct結構優化分析軟件對某型號發動機塑料油底殼進行了模態及形貌優化分析，并根據優化分析結果確定了塑料油底殼加強筋最佳布局方式，最終使其性能達到最好。
1引言
現代汽車設計對減重和降低成本的需求越來越高，以往商用車用的發動機油底殼材料一般都為鋼或鑄鋁，而目前國外先進的汽車制造商越來越傾向于塑料油底殼的研發和生產。塑料油底殼不僅可以減少模具制造的費用，而且也省略了鋁合金油底殼壓鑄后的機械加工工序，其生產成本應比鋁合金油底殼低30%～40%。另外，塑料油底殼還因為集成了油道、吸油管、機油過濾器、單獨的備用油口和防濺板等，進一步減少了空間占用、生產制造費用和裝配費用。
結構優化分析技術是一項新興的設計方法，用于進行概念設計和精細設計。它分為拓撲優化、形貌優化、形狀優化和尺寸優化，且所有優化類型可以進行組合。它可以在方案設計階段給出零部件甚至車身原型合理的材料布局，減輕結構重量，以及合理的確定零件的一些參數和形狀。通過這項技術，企業能縮短設計周期，提高產品性能，減少昂貴的樣件生產和整車測試的次數。國外針對汽車底盤、發動機等零部件的優化分析和設計的研究及應用都已經比較成熟。國內目前仍處于理論研究階段，各汽車廠家也極少實際應用此項技術。而且當前優化的軟件還不成熟，需要更多的研究和實例應用。目前汽車行業競爭激烈，國內國外各大廠家都在使用或者關注優化技術，期望通過它來提升產品的競爭力。優化分析技術必將在未來幾年得到快速的發展。
形貌優化是一種形狀最佳化的方法，它可以用來設計薄壁結構的強化壓痕。用來減輕結構的重量，同時又能滿足強度、頻率等要求。設定優化步驟簡單，只需要定義一個設計區域、裝飾條的最大深度和拉伸角。同時考慮到可加工形，軟件還提供了多種壓痕成型方式。優化后的結果還可以用OSSmooth工具產生的幾何數據輸入到CAD軟件中，進行二次設計。
以某商用車發動機塑料油底殼為研究對象，應用形貌優化分析方法對其加強筋進行了優化布局分析，最終使其滿足設計要求。
2 結構模型化
根據發動機塑料油底殼結構特點劃分單元時對油底殼基座采用四面體單元，對薄壁區域采用四邊形板單元；模型劃分單元尺寸定義為5mm，體單元128115個、板單元46187個、節點79758個；圖1為塑料油底殼原始設計模型網格圖。
所用材料為復合材料SMC，泊松比μ=0.3，彈性模量E=11GPa，密度ρ=1.8×103Kg/M3。約束油底殼基座四周固定孔，計算其約束模態。
4 分析計算與結果
本次分析計算采用ALTAIR/HyperMesh9.0軟件完成。圖2為油底殼原始設計結構的前兩階模態振型圖。
從其振型圖上可以看出油底殼底面為其薄弱的部位，將其定為設計區域對塑料油底殼其進行形貌優化分析。首先在油底殼原始設計基礎上將其底面加強筋去掉，用平板代替；其次將該平板定義成可設計區，其余部位為非設計區；最后定義優化目標為一階模態的頻率最大。圖3為油底殼優化結果。
5.1發動機塑料油底殼原始設計一階頻率為216Hz，低于設計目標值，需要改進。
5.2優化結果顯示其一階頻率可以達到280 Hz，與鋼板制油底殼非常接近。
5.3仿優化設計塑料油底殼一階頻率升至251Hz，相比原始設計提升16%，效果明顯且滿足設計目標。
5.4綜上所述，仿優化設計結果可以實施采用。
5.5該仿真分析過程就是文中所要表述的基于OptiStruct形貌優化分析技術的商用車發動機油底殼設計方法。
6參考文獻
[1] 湯定國. 汽車發動機構造與維修. 北京：人民交通出版社, 2005
[2] 魏慶曜. 發動機與汽車理論. 北京：人民交通出版社，1998
[3] 付永華. 有限元分析基礎. 武漢：武漢大學出版社，2003,8
[4] 趙詒樞，吳云存. 工程力學. 湖北：湖北汽車工業學院，2000
[5] 盧耀祖，周中堅等. 機械與汽車結構的有限元分析. 上海：同濟大學出版1997
[6] 王勛成，邵敏. 有限單元法基本原理與數值方法. 北京：清華大學出版社，1988,9
1引言
現代汽車設計對減重和降低成本的需求越來越高，以往商用車用的發動機油底殼材料一般都為鋼或鑄鋁，而目前國外先進的汽車制造商越來越傾向于塑料油底殼的研發和生產。塑料油底殼不僅可以減少模具制造的費用，而且也省略了鋁合金油底殼壓鑄后的機械加工工序，其生產成本應比鋁合金油底殼低30%～40%。另外，塑料油底殼還因為集成了油道、吸油管、機油過濾器、單獨的備用油口和防濺板等，進一步減少了空間占用、生產制造費用和裝配費用。
結構優化分析技術是一項新興的設計方法，用于進行概念設計和精細設計。它分為拓撲優化、形貌優化、形狀優化和尺寸優化，且所有優化類型可以進行組合。它可以在方案設計階段給出零部件甚至車身原型合理的材料布局，減輕結構重量，以及合理的確定零件的一些參數和形狀。通過這項技術，企業能縮短設計周期，提高產品性能，減少昂貴的樣件生產和整車測試的次數。國外針對汽車底盤、發動機等零部件的優化分析和設計的研究及應用都已經比較成熟。國內目前仍處于理論研究階段，各汽車廠家也極少實際應用此項技術。而且當前優化的軟件還不成熟，需要更多的研究和實例應用。目前汽車行業競爭激烈，國內國外各大廠家都在使用或者關注優化技術，期望通過它來提升產品的競爭力。優化分析技術必將在未來幾年得到快速的發展。
形貌優化是一種形狀最佳化的方法，它可以用來設計薄壁結構的強化壓痕。用來減輕結構的重量，同時又能滿足強度、頻率等要求。設定優化步驟簡單，只需要定義一個設計區域、裝飾條的最大深度和拉伸角。同時考慮到可加工形，軟件還提供了多種壓痕成型方式。優化后的結果還可以用OSSmooth工具產生的幾何數據輸入到CAD軟件中，進行二次設計。
以某商用車發動機塑料油底殼為研究對象，應用形貌優化分析方法對其加強筋進行了優化布局分析，最終使其滿足設計要求。
2 結構模型化
根據發動機塑料油底殼結構特點劃分單元時對油底殼基座采用四面體單元，對薄壁區域采用四邊形板單元；模型劃分單元尺寸定義為5mm，體單元128115個、板單元46187個、節點79758個；圖1為塑料油底殼原始設計模型網格圖。
所用材料為復合材料SMC，泊松比μ=0.3，彈性模量E=11GPa，密度ρ=1.8×103Kg/M3。約束油底殼基座四周固定孔，計算其約束模態。
4 分析計算與結果
本次分析計算采用ALTAIR/HyperMesh9.0軟件完成。圖2為油底殼原始設計結構的前兩階模態振型圖。
從其振型圖上可以看出油底殼底面為其薄弱的部位，將其定為設計區域對塑料油底殼其進行形貌優化分析。首先在油底殼原始設計基礎上將其底面加強筋去掉，用平板代替；其次將該平板定義成可設計區，其余部位為非設計區；最后定義優化目標為一階模態的頻率最大。圖3為油底殼優化結果。
5.1發動機塑料油底殼原始設計一階頻率為216Hz，低于設計目標值，需要改進。
5.2優化結果顯示其一階頻率可以達到280 Hz，與鋼板制油底殼非常接近。
5.3仿優化設計塑料油底殼一階頻率升至251Hz，相比原始設計提升16%，效果明顯且滿足設計目標。
5.4綜上所述，仿優化設計結果可以實施采用。
5.5該仿真分析過程就是文中所要表述的基于OptiStruct形貌優化分析技術的商用車發動機油底殼設計方法。
6參考文獻
[1] 湯定國. 汽車發動機構造與維修. 北京：人民交通出版社, 2005
[2] 魏慶曜. 發動機與汽車理論. 北京：人民交通出版社，1998
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[6] 王勛成，邵敏. 有限單元法基本原理與數值方法. 北京：清華大學出版社，1988,9
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