基于Tosca的油底壳振动性能条纹优化

（ 1）
式中：
Σ uＲ（ Ω）
=
1 N
N
i = 1 uＲ（ Ω） ·ni
（ 2）
Σ uC（ Ω）
=
1 N
N
i = 1 uC（ Ω） ·ni
（ 3）
针对上述定义的优化问题，对油底壳底面振动
响应的条纹优化流程见图 5．
CAwMww.c 图 2 初始方案振动速度频率响应
2 优化问题定义
根据油底壳初始方案的分析结果，需要提高该 设计方案的结构刚度，降低其在中频段的振动响应， 从而减少噪声的来源． 首先选择油底壳的底面和侧 壁区域作为条纹优化的设计区域，图 3 所示为底面 区域，该区域内节点的法向位移作为设计变量的约 束条件，并设定其法向位移的绝对值为 5 mm．
第 22 卷 增刊 2 2013 年 10 月
计算机辅助工程 Computer Aided Engineering
Vol． 22 Suppl． 2 Oct． 2013
文章编号： 1006 － 0871（ 2013） S2-0236-04
基于 Tosca 的油底壳振动性能条纹优化
方立桥1， 赖宇阳2
（ 1． 北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044； 2． 北京树优信息技术有限公司，北京 100062）
关键词： 油底壳； 条纹优化； 振动性能
中图分类号： TK421； TB115． 1
文献标志码： B
案 Bead optimization on vibration performance for AE .cn oil pan by Tosca C g FANG Liqiao1，LAI Yuyang2
减振降噪有重要意义．
起形式，提高其刚度和固有频率或者降低噪声和振
结构优化设计在油底壳的设计过程中已有广泛 动． 在研究中考虑油底壳的振动响应特性，通过在油
应用，如拓扑优化［4-5］、形状优化［6］和结构参数化优 底壳底面上布置条纹的凸起形式改善其动力学特
收稿日期： 2013-09-06 作者简介： 方立桥（ 1988—） ，男，浙江杭州人，硕士，研究方向为结构力学优化，（ E-mail） Lyy@ soyotec． com
r （ 1． School of Mechanical Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，100044； 模 .o 2． Beijing Soyotec Co． ，Ltd． ，Beijing 100062，China）
的动力学特性，通过改善结构的动刚度或增加阻尼 是成本也相对较高． ［8］本文采用 Tosca 软件中的条
等措施抑制振动． 因此，通过提高油底壳结构的刚度 纹优化技术（ 由德国卡尔斯鲁厄大学制造发展协会
和调整结构固有频率等措施改善结构振动性能，对 （ IPEK） 对金属板壳结构开发） ，通过布置条纹的凸
1 420． 52 Hz，因此在进行频率响应分析时，忽略对
低阶频 率 区 域 的 振 动 响 应 考 察，仅 分 析 1 200 ～
2 400 Hz范围内的振动响应． 图 1 中圈出区域内的
图 3 条纹优化底面设计区域
节点位置作为频率响应分析的研究域．
将分析频域内振动速度的峰值最小化，作为优
库 化设计的目标函数，见图 4．
e optimization． The bead optimization on the oil pan is performed by Tosca considering the vibration O velocity of the oil pan surface． The results show that the performance of optimization design is improved E m much，and the bead optimization technology can fully develop the structure potential． a Key words： oil pan； bead optimization； vibrati底壳的振动响应速度 进行优化，结果表明通过条纹优化能很好地挖掘结 构优化潜力，改善结构性能． 在二次模型设计后，结
第 S2 期
方立桥，等： 基于 Tosca 的油底壳振动性能条纹优化
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构更加满足制造要求，并且不损失性能，在实际研究 中具有广阔的应用前景．
参考文献：
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性，并且验证条纹优化技术对油底壳性能的提高有 积极意义．
1 油底壳初始设计方案
根据油底壳的结构特点，选择三角形和四边形
的壳单元进行模拟，在与机体相连的螺栓孔位置施
加垂向的单位激励，见图 1． 由于 1 阶模态频率为
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（ 编辑
陈锋杰）
CAwMwEwO.凯ca模mCeAo.Eo案rg例.c库n
CAM w.c 0 引 言 油底壳是薄壁类零件，工作时在整机影响下会
w 产生复杂的振动，其辐射噪声有时可占发动机总噪 w 声的 15% ～ 22% ． ［1-3］ 目前的研究主要针对油底壳
化［7］等． 通常在优化过程中仅考虑刚度和固有频率 的性能，很少有拓扑优化和形状优化等对振动特性 的研究．
油底壳通常由薄钢板冲压成型或铝合金高压铸 造，相较而言铝合金油底壳强度高，NVH 性能好，但
A 度响 应 有 很 大 的 改 善，表 面 分 析 点 的 速 度 和 为 C w 1． 22E － 8，较 初 始 方 案 减 小 3． 03E － 7，降 低 w 96． 11% ； 同时，2 阶模态频率为 2 908 Hz，较初始方 w 案提升 14． 6% ，其振型见图 9．
图 8 表面振动速度响应优化前后对比 http ： / / www． chinacae． cn
完全符合设计制造工艺要求，且不方便加工，经过二 次设计后的模型见图 10． 对新设计的模型进行方案 验证，通过对底面中心位置振动速度响应的优化前
案 后比较（ 见图 11） ，振动响应有很大的改善． MEO.凯ca模 将最优方案与初始方案进行比较，表面振动速
度响应优化前后对比见图 8，油底壳底面的振动速
图 5 油底壳条纹优化流程
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计算机辅助工程
3 优化结果
经过 Tosca 25 次的条纹优化迭代，最终推荐如 图 6 所示的条纹布局方案． 表面振动速度响应的整 个优化历史见图 7，在迭代到第 10 步时基本找到最 优方案．
2013 年
库 图 9 条纹优化后 2 阶模态振型 例 条纹优化的设计结果中，某些凸起部位并不能
摘要： 发动机油底壳的振动噪声是发动机辐射噪声的主要来源，对其进行振动性能的优化具有积
库 极意义． 在传统的拓扑优化和形状优化设计中缺乏对油底壳振动响应特性的研究． 基于 Tosca 中的
条纹优化技术，考虑表面振动速度响应对油底壳进行优化． 结果表明优化后的设计方案的振动性能
例 得到极大改善； 条纹优化技术可以充分挖掘结构设计潜力，是一种非常有效的优化方法．
例
CAE案 图1 油底壳有限元模型 模 .o 初始方案在所分析频域内的振动速度响应曲线
见图 2，可知，在 2 200 Hz 后，速度响应快速增大，需
EO凯ameo 要对其进行优化设计，以降低其振动响应．
图 4 振动响应峰值表达
表面振动速度的计算公式为
φ（ Ω） = Ω 槡u2Ｒ（ Ω） + u2C（ Ω）
凯 o Abstract： The vibration of the oil pan is the main source of the engine noise，and it is very useful to take
an optimization for the oil pan． There are not study on the vibration performance on topology and shape
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