基于HyperWorks柴油机结构优化的研究

作     者：刘俊栋 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：舒歌群

授予年度：2007年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：内燃机 有限元 优化设计 油底壳 机体 

摘      要：随着内燃机结构的日益轻量化、复杂化,影响其性能的设计参数越来越多,限制约束参数越来越苛刻和复杂,同时对结构的性能要求却就越来越高。传统的设计方法已经很难适应现代内燃机结构发展的具体要求,采用现代的优化设计方法就显得具有非常重要的意义。 本文综述和分析了优化设计的发展,讨论了现代优化设计的主要方法,即拓扑优化、形貌优化、尺寸优化和形状优化的基本理论及其应用。基于有限元分析软件和HyperWorks专业软件,进行了内燃机零部件优化设计方法的应用研究。 本文选取了以油底壳为代表的壳单元和以机体为代表的实体单元作为研究对象,采用不同的有限元模型建立的方法和优化方法分别加以研究。针对4100QB柴油机油底壳,首先采用壳单元经过几何清理、网格划分和单元检修建立了油底壳的二维有限元模型。在此基础上进行自由模态的分析,为进一步的结构优化提供了依据。然后针对油底壳的具体特点而采用形貌优化的方法,通过对油底壳压痕筋的重新布置,最终实现了通过提高自身的固有频率以降低其辐射噪声的目的。针对4100QB柴油机机体,首先建立了经过适当简化的有限元模型,然后采用试验模态和计算模态相结合的方法验证了机体有限元模型的正确性。在对机体施加合理的边界条件的基础上,进行了约束模态计算和静强度计算,并以此作为机体结构优化的依据和衡量标准。最后,通过拓扑分析和形状优化相结合的优化方法实现了在保证机体模态和强度要求的基础上的机体轻量化设计。 各种优化方法及其组合应用对于内燃机结构设计优化具有重要的意义。实践证明:现代有限元分析技术和现代结构优化技术相结合的方法有利于内燃机结构的优化设计,提高了设计质量,缩短了设计周期,减少了设计费用,为今后的内燃机设计提供了一种新思路。