基于 solidThinking Inspire 的发动机后吊钩设计

      摘要：对发动机后吊钩的设计，通常借用已经投产机型的零件进行改进设计，而本文借助于Altair公司的solidThinking Inspire软件，对发动机后吊钩进行了拓扑优化设计。与传统设计方法对比表明，采用软件优化的结构在关键区域的最大位移减少了74%。 

     关键词：发动机后吊钩 拓扑优化 solidThinking Inspire

     1概述

     发动机后吊钩主要用于发动机吊装过程中，是一个非标准件。常见的吊钩结构为：底部有与缸盖螺栓连接的螺栓孔，顶部有与链条钩头相连的吊耳，中间有固定其他附件支架的安装孔。吊钩在工作过程中，既要满足强度要求，不能发生破坏，同时也要满足刚度要求，不能发生大变形，否则固定在吊钩上的其他零件就可能产生失效风险。 

     对发动机后吊钩的设计，通常采用借用已经投产机型的零件，并根据现有机型的空间布置和零件受力情况进行适当改进的方法。这种传统的设计方法受到设计者经验的限制，一情况下会盲目的增大零件尺寸，改进后的结构往往并不是最优设计方案。 

     本文以JMC某发动机后吊钩为例，则借助于Altair公司的solidThinking Inspire软件，通过建立拓扑优化基本模型、定义优化空间、施加边界条件和载荷条件、选择合适的控制目标进行拓扑优化，软件优化出的结构往往并不是最终结构，只提供概念设计思路，还需要考虑结构形状，加工工艺等因素进行合适的CAD后处理。这种方法不受设计经验的限制，能够在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定比较合理的结构形式，CAD后处理时可以短时间内做出多种方案，进而选择出最优方案。

     本文最后还把通过软件优化出的结果与传统设计方法设计结果进行了对比分析。

     2发动机后吊钩的优化设计 

     2.1定义设计空间及非设计空间 

     根据实际机型发动机空间布置，建立用于拓扑优化的基本模型（如图1所示）。模型中灰色部位定义为非设计空间，在优化过程中不发生改变；棕色部位定义为设计空间，通过优化计算，挖掉设计空间中多余部分，所剩部分所构成的形状则被认为是拓扑优化的结果。右键点击设计空间对其赋予材料属性，由于是概念设计阶段，solidThinking Inspire 软件材料库中只有简单几种典型材料可供选择，我们选择软件默认的的Steel (AISI304)。

                                                                                 图1定义设计空间与非设计空间

     2.2添加边界条件和载荷条件

     考虑到工程实际应用，我们还要对已经赋予了材料属性的模型添加真实的边界条件和载荷条件，这样solidThinking Inspire优化出来的结构才能满足实际工作需要。 

     如图2所示，根据实际工况在后吊钩底部两个螺栓孔处添加支撑约束,在吊耳处添加（X，Y，Z）三个方向的载荷约束（-474N，357N，950N）。

                                                                                图2后吊钩的支撑约束和载荷约束

     2.3定义优化目标 

     为了获得刚度最大的结构，如图3所示，在solidThinkingInspire中定义质量目标为设计空间的35%，频率目标为最大频率，最小厚度控制为0.5mm。 

     定义好上述各项后，点击运行，solidThinkingInspire会自动检查以确保模型是否准备好，边界条件和载荷条件是否存在，如果检查无误，系统会继续进行优化计算。

                                                                                图3设定优化目标

     2.4CAD后处理 

     优化计算完成后可以得到如图4所示的拓扑结构，该结构并不是最终的设计结构，考虑到结构形状，加工工艺等因素，对solidThinking Inspire优化的结构进行了多种方案CAD后处理，选出最优方案（如图5所示）。

                                                                                图4 软件优化结果

                                                                                图5 CAD后处理结果

     3优化结果分析验证

     设计工程师采用传统设计方法，借用已经投产机型的零件并进行改进，提出了如图6 所示的结构。该结构初看貌似比我们用solidThinking Inspire优化的结构更简单合理。下面我们用CAE软件对这2种结构进行对比分析（分析重点是吊钩在工作过程中的最大变形，以减小吊钩大变形对固定在其上的其他零件的影响），分析结果如图7所示。

                                                                                图6 设计工程师提出的结构

                                                                                图7两张设计方案刚度对比

     从图7可以看出，虽然Case1初看貌似比Case2结构更简单合理，且重量少0.01Kg，但其刚度远低于Case2，利用solidThinking Inspire优化后的结构比传统设计方法设计的结构可以有效减小最大位移74%。

     4结论

     与传统设计方法相比，利用solidThinking Inspire软件优化设计的方法不受设计经验的限制，在优化设计中考虑了真实边界条件和载荷条件，优化后的结果既能满足零件的功能性需要，又能满足零件的可靠性需求。在汽车零部件产品开发过程中，应尽可能多的引入产品优化设计方法，这样才能极大地节省产品开发效率，提高产品质量。

     5参考文献

     [1]刘惟信，机械最优化设计.[M].北京：清华大学出版社，1994. 

     [2]邓小龙，方子帆，刘国庆，动力总成悬置支架拓扑优化研究，三峡大学学报（自然科学版），2006，Vol28（3）2006

  

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