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SimLab在船用柴油机机脚优化中的应用

2022/3/28    来源:Altair    作者:苗伟驰  杨丹  方强      
关键字:SimLab  HyperView  机脚优化  柴油机  
本文主要阐述了利用Altair公司的SimLab软件的网格划分和优化改进功能,采用HyperView软件进行结果后处理,对船用柴油机机脚进行减重优化设计的过程。
1 概述

       船用柴油机相比车用发动机尺寸较大,整机机体重量可达几吨。机脚作为连接机体和大地的部件,承受较大的静态载荷,设计余量一般要较为充裕以保证强度和刚度需满足要求。

       某柴油机由于重量指标限值,需对机脚等非关键件进行减重优化。本文采用模态分析方法,评估机脚薄弱位置,在刚度不明显下降的条件下尽可能实现更多的减重。

       对于需要控制网格质量、特征繁多的零件以及快速调整有限元网格时,SimLab软件相比传统前处理表现非常出色,优化方案的网格划分效果立竿见影,网格质量能自动调整直至满足要求,极大的提高了分析效率。

       HyperView作为应用广泛的后处理软件,操作界面简洁易用,后处理功能强大,能够实现不同分析步结果的函数运算,为设计改进提供充分依据。

2 计算模型

       机脚仿真计算主要从刚度角度进行评估,仿真模型应尽可能与实际情况一致,因此需要绑定机脚与机体、主轴承盖,约束机脚底部螺栓孔自由度。

       2.1 机脚网格划分

       机脚采用四面体进行网格划分,节点数33479,单元数67788。机体与主轴承盖模型节点数303750,单元数608854。图1为采用SimLab划分的机脚网格,机脚螺栓孔处周向网格均能保证六层,满足质量要求。

Simlab划分机脚网格

图1 Simlab划分机脚网格

       2.2 材料属性

       机脚和机体均采用球墨铸铁,材料参数如下:

       弹性模量:210GPa 

       密度:7.85e-9T/mm3 

       泊松比:0.3。

3 计算结果 

       模态分析法应用广泛,可评估部件是否会发生共振,并根据振型以找出薄弱区域。一般模态分析结果显示为位移振型图,如图2所示。当工程师经验欠缺时,无法直接提出优化方向,只能通过观察变形较大位置,间接评估薄弱区域,工作效率较低。

HyperView显示机体机脚前六阶振型

图2 HyperView显示机体机脚前六阶振型


       为解决此问题,引入应变能概念评估机脚模型。应变能指物体变形过程中储存在物体内部的势能,利用振型和刚度计算得到的应变能为模态应变能。模态应变能可以显示在每模态振型下吸收能量最集中的部位。第i阶模态的单元应变能(MSE)定义如下:

公式


       其中,ui为第i阶模态振型,Ke为单元刚度矩阵。

       根据公式可看出,模态应变能越高,局部位移越大,结构的刚度就越低。当受到与振型一致的激励时,高应变能位置更容易产生变形。根据应变能云图可直观的找出部件薄弱部位,有针对性的加强该处的设计或减重优化。图3为在HyperView中查看应变能。

HyperView中查看应变能

图3 HyperView中查看应变能


       图4为各阶模态的应变能云图,应变能较大且分布集中的区域,即为刚度薄弱区,灰色区域应变能相对较小,应变能很小的区域可考虑进行减重。应变能云图在多方案对比时指导意义较大。

HyperView中前六阶机脚应变能云图

图4 HyperView中前六阶机脚应变能云图


       在方案对比时,前六阶模态的振型和应变能分布可能有不同,此时若对比每一阶的应变能分布,操作繁琐且非常不直观。通过在HyperView中采用数学公式将前六阶应变能进行叠加,可以明显得到应变能之和的分布,如图5所示,若叠加后应变能很小,表明可考虑去除材料进行减重。

HyperView中前六阶应变能叠加云图

图5 HyperView中前六阶应变能叠加云图


4 方案优化

       SimLab基于网格特征进行建模的,可在已有有限元模型上直接进行特征编辑并得到高质量网格。如机脚优化中,主要采用了增加孔特征、减薄平板等功能得到优化方案。图6中基于有限元网格直接增加圆孔特征以及调整薄板厚度,能够得到用于计算的网格模型,而不需要在CAD模型中进行编辑修改重新导入,这大大简化了原有操作流程。

SimLab增加圆孔特征、调整板厚

图6 SimLab增加圆孔特征、调整板厚

       图7为基于以上方法的优化方案过程,最终减重235kg,相比参考方案,刚度未明显降低,设计方案达到目的。

Simlab划分机脚网格

图7 Simlab划分机脚网格

优化方案刚度对比

图8 优化方案刚度对比

5 结论

       基于SimLab软件可快速获得有限元网格,并直接基于网格调整方案,工作效率明显提高;通过HyperView能够将不同分析步间的计算结果进行数学计算,得到的累加应变能结果能够直接指导结构优化设计,为设计人员充分提供依据。
责任编辑:程玥
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