产品
摘要：
活塞作为发动机动力单元的主要组成部分，在动力传输中处于关键核心位置。其结构强度，理论相对疲劳寿命直接影响发动机整体的寿命，对其进行有限元分析与结构优化有着十分重要的现实意义。在以往的有限元分析中，大多只对单个活塞进行有限元分析，而并没有考虑整个动力单元之间的相互影响，本文运用Altair HyperWorks的强大前处理软件HyperMesh建立了活塞，活塞销，连杆整体模型，并对其进行了热固耦合分析以及疲劳寿命分析，采用 HyperView对分析结果进行可视化处理。在此基础上，运用Morph对结构进行了合理的优化，取得了良好的结果。
关键词：Altair HyperWorks,发动机,活塞,结构优化,疲劳寿命
1 引言
发动机动力单元主要包括缸套，活塞，活塞环，活塞销，连杆等零件，如图1所示。活塞作为动力单元的关键零部件，工作环境恶劣，受载复杂，其失效将会导致整个发动机系统的失效。
因此，本文以内燃机活塞作为研究对象，对其进行结构强度分析具有十分重要的现实意义。在活塞温度计算过程中，充分利用试验分析数据，计算出了活塞的准确温度分布。在此基础上，将活塞所受的热应力与机械应力相结合，得到了准确的活塞应力分布。
在疲劳分析的基础上，运用Altair HyperWorks的Morph工具进行了结构优化。在分析计算过程中，HyperWorks作为一款先进的计算机辅助分析软件，在设计研发中发挥了重要的作用。
本文拟采用图 2 所示的有限元分析流程。
2 动力单元（PCU）的有限元分析
2.1 有限元分析模型的建立
为了得到高质量的网格，有必要对模型进行一些几何清理。本文以HyperMesh作为有限元分析前处理软件，对导入的模型进行几何处理。如图3所示为导入时的模型，进行几何清理之后的几何模型如图4所示。
几何清理之后，需要对模型进行网格划分。有限元网格的划分一方面要考虑对各模型几何形状的准确描述，另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。划分网格时必须考虑以下原则：网格数量，网格密度，良好的单元形状，良好的剖分过渡性，网格剖分的自适应性。基于以上原则，本文建立了活塞-活塞销-连杆系统有限元分析模型，采用精度比较高的四面体十节点单元，建立的网格模型如图5所示：
2.2 活塞温度场分析
分析活塞的实际运行情况以及现在发动机的试验手段，想要得到热分析的第一类热边界条件或者是第二类热边界条件，即使是在已知活塞的边界温度或热流也几乎不可能的，所以本文采用第三类热边界条件分析活塞的温度场，定义了活塞表面与高温燃气和冷却介质之间的对流换热系数、高温燃气以及冷却介质的平均温度。经加载计算，得到活塞的温度场分布，如图6所示，活塞的最高温度为272°C。
2.3 热固耦合分析
活塞在做功行程中，不仅在其顶部受到高温燃气的压力，还受到汽缸壁对活塞的侧推力、连杆的作用力、惯性力以及与活塞销之间的摩擦作用，工作状况非常恶劣。
活塞承受的燃气压力与惯性力是周期性变化的，因此，活塞的不同部位受到交变的拉伸、压缩或者弯曲载荷。并且由于活塞各部分的温度及其不均匀，活塞内部产生一定的热应力，所以要求活塞的质量小，热膨胀系数小，导热性小，和耐磨性小。
本文中的活塞采用MAHLE公司性能良好的M142铝合金材料。对活塞结构进行有限元分析时，充分考虑了活塞复杂受力情况，如图7所示。
在活塞应力计算过程中，考虑了活塞销孔形线与外圆形线的影响，同时将温度计算结果与机械应力计算结果相耦合，为疲劳寿命分析打下基础。如图8所示为所计算的活塞在运行过程中所受的最大平均应力和应力幅值。
3 疲劳寿命分析
本文采用工程中广泛应用的疲劳分析理论Miner 线性累积损伤理论对活塞结构进行疲劳寿命评估，计算的疲劳寿命如图9所示。活塞的最小相对寿命为0.6。低于MAHLE公司的相对疲劳寿命标准2.5。
4 优化分析
Morph是HyperMesh中用于直接改变模型网格的模块。允许通过有效、合理、可视化的方式改变网格模型，在确保网格质量最优化的前提下实现以下功能：
1) 通过改变零部件网格来改变该零部件几何形状；
2) 参数化的改变零部件网格模型尺寸；
3) 把现有模型网格投影到新的几何形面上；
4) 为形状优化分析创建形状变量。基于Morph网格优化功能，对活塞结构进行优化，燃烧室顶面厚度增加了1 mm。
如图10所示为Morph优化之前的网格模型，图11所示为优化之后的结构。
采用与优化活塞结构之前想同的边界条件，计算得出的最大平均应力与应力幅值如图12所示
疲劳寿命分布如图13所示。最小寿命为4.6。满足MAHLE公司的相对疲劳寿命标准2.5。
5 结论
本文成功应用HyperWorks相关软件对发动机动力单元进行有限元分析，在此基础上应用HyperWorks强大的优化工具Morph对活塞进行结构优化，取得了理想的优化结果。HyperWorks作为一款先进的计算机辅助分析软件，在设计研发中是一个非常有效的工具
摘要
文章应用HyperWorks软件评估了液压折臂吊下甲板支撑构件的强度，并进一步应用OptiStruct模块对液压折臂吊下的船舶甲板支撑结构进行了尺寸优化设计。优化过程中将甲板支撑构件尺寸参数作为变量，将中国船级社规范中规定的许用应力指标作为约束，将支撑结构总质量最小作为优化目标，最终得到了满足规范要求的甲板支撑构件最优尺寸。
关键词：船舶结构，尺寸优化，HyperWorks
1 引言
近年来，民船大型化，功能多样化已成为一种趋势。在船舶设计过程中，船体局部结构有限元强度计算任务较以往有所增加。设计部门需对船级社规范指定的结构，进行有限元强度计算，确保该结构应力符合规范要求，并编制好计算报告书送船级社审核。
在规范指定进行有限元强度校核的构件中，甲板设备支撑结构占了很大比重。其中，典型的甲板设备主要有锚机、起重机、吊杆、起重柱、系缆桩、导缆器和应急拖带装置等。按规范要求液压折臂吊属起重机吊杆一类，需进行支撑结构强度校核。本文以液压折臂吊为例，说明HyperWorks在船舶结构强度计算中的具体应用。
通常，在进行强度校核计算前，甲板支撑结构的构件尺寸已初步确定。构件尺寸的初始值是根据整条船的结构规范计算书得来的，这些尺寸主要是基于船舶种类、主尺度、骨架形式等全船性的参数根据规范计算出来的，没有考虑其上布置甲板设备带来的载荷。在以往的计算中，通常先校核构件初始尺寸的强度，如不满足规范满求，则逐步增大构件尺寸，直至满足规范要求。本文使用HyperWorks软件的优化功能，完成船舶甲板结构支撑构件的尺寸优化设计。该方法相对以往方法更加方便，在很大程度上提高了工作效率，通过将质量最小作为优化目标，得到的构件尺寸也更加合理。
2有限元计算模型
在三维笛卡尔坐标系中建立液压折臂吊支撑结构舱段三维有限元计算模型。船长方向为X轴，正方向由船尾指向船首；船宽方向为Y轴，正方向由右舷指向左舷；型深方向为Z轴，正方向由基线指向甲板。规范要求计算模型采用局部立体结构模型，以液压折臂吊有效作用平面矩形的形心为中心，向四周分别扩展至少一倍的该矩形相对应的长、宽距离，垂向应从液压折臂吊基座面扩展至甲板之下的第一个平台甲板或至少D/4处（D为型深）。且应保证有限元计算模型范围延伸至结构主要支撑构件上。计算中将甲板纵桁、强横梁、强肋骨等强构件的腹板、主甲板板、舷侧板用壳单元离散；将甲板纵桁、强横梁、强肋骨等强构件的面板用梁单元离散；将甲板纵骨、舷侧纵骨及舱壁扶强材用梁单元离散。模型中位移单位为mm，应力单位为MPa。
船体材料主要采用屈服极限235MPa的B级船用结构钢，弹性模量E=2.06×105 N/mm2，泊松比μ=0.3。基于HyperMesh建立的液压折臂吊支撑结构舱段三维有限元计算模型见图1。
3 初始尺寸强度校核
首先，针对液压折臂吊下甲板支撑结构初始尺寸进行强度校核。设计中将吊机布置在甲板强横梁和纵桁的交汇出，根据船体规范计算书算得的甲板强构件初始尺寸为：T型材腹板9mm，T型材面板为12x120的扁钢。
3.1 载荷条件
根据规范要求，计算中主要考虑吊机的最大倾覆力矩、安全工作载荷和吊机自重三个方面的载荷。
1）吊机最大倾覆力矩：
“规范”中给出，倾覆力矩系指起重设备在安全载荷下作业，起重设备与船体结构连接处所计算得出的最大弯矩，本计算中折臂吊最大动弯矩为308.2kN.m。
2）安全工作载荷：
安全工作载荷系指在任何规定的变幅长度范围内，起重机可起升的最大载荷。本吊机由设备商提供的安全工作载荷为4t。根据“规范”，对于近海作业的起重设备，附加于起重设备自重的150%安全工作载荷应进行校核，所以计算中安全工作载荷取6t。
3）液压折臂吊自重：
本船液压折臂吊自重为2.38t。
3.2 边界条件
模型两端剖面各节点施加简支边界条件，约束x、y、z方向线位移；模型下边界（包括主甲板以下1.8m处舷侧外板、肋骨以及支柱）施加简支边界条件，约束x、y、z方向线位移；中纵剖面主甲板施加简支边界条件，约束x、y、z方向线位移。
3.3 分析结果
应用HyperWorks软件RADIOSS求解器进行计算，图2给出了支撑结构初始尺寸下的应力云图。
根据规范，构件的许用应力见表1。通过应力云图可见，吊机下甲板强横梁的腹板剪应力最大值为95MPa，面板的正应力最大值为224MPa，均不满足规范规定的许用应力值，需对吊机支撑结构进行加强。
4 优化分析
通过计算发现吊机载荷作用下，高应力区域集中出现在吊机下甲板交叉的强横梁和纵桁上，因此仅将T型材腹板厚度、T型材面板宽度和面板厚度三个尺寸作为变量对支撑结构进行优化。考虑到工程实际，将各变量定义为离散型，如表2。
在定义变量之后，指定响应作为优化约束条件和目标函数。针对本次研究，目标函数设置为甲板支撑结构质量最小；约束条件为各应力分量不超过规范规定的许用值，表3给出了优化分析中约束的具体定义。
通过OptiStruct求解，最终优化结果为T型材腹板厚度12mm，T型材面板厚度为17mm,T型材面板宽度为140mm。此时，液压折臂吊下甲板支撑结构应力云图如图3。可见，优化尺寸后支撑结构的最大剪应力为72.7MPa，最大正应力为156.5Mpa均满足了规范规定的许用值。此时，结构正应力值已经十分接近许用应力值，说明通过优化分析，我们得到了满足规范要求的最合理结构尺寸，使材料得到充分的利用，节约了成本。
5 结论
本文以液压折臂吊下甲板支撑结构为优化对象，采用HyperWorks软件进行强度评估并完成了优化分析，获得了满足船舶规范要求的结构最优尺寸。相对以往方法，该方法更加科学方便，获得的结构尺寸也更加合理。除了船体结构强度方面，在船体振动、冲击响应等方向，还可以将该方法进行进一步推广应用，这也是本文作者下一步的研究内容。
摘要：本文针对某款车型的行李箱在强度耐久试验中存在因刚性不足而导致面板变形，行李箱盖难以扣锁之问题，利用HyperWorks建立行李箱的有限元模型，通过OptiStruct求解器对结构强度进行分析，并提出结构整改建议，对比参考样车后采用最佳优化方案，最终实车通过强度耐久试验，满足设计要求。
概述
近年来，随着CAE仿真技术的逐渐成熟，其高效率、低成本的优势被国内外汽车厂商青睐，成为汽车设计的不可或缺的主要手段。HyperWorks软件以其高性能、开放式有限单元前后处理器、强大的网格划分能力及提供几乎所有主流商业CAD系统和CAE求解器接口等诸多优点成为CAE技术广泛应用的工具。
本文针对某轿车行李箱在强度耐久试验中出现因行李箱刚性不足造成面板变形，导致行李箱盖锁扣发生偏移，难以关闭行李箱盖的问题展开结构强度分析工作。利用HyperWorks建立行李箱的有限元模型，通过OptiStruct求解器对结构强度进行分析，并提出结构整改建议，对比参考样车后采用最佳优化方案，最终实车通过强度耐久试验，满足设计要求。
1 建立有限元模型
1.1网格划分
首先利用HyperMesh前处理功能建立行李箱总成各结构件的有限元模型，选用壳单元，基本网格单元尺寸为5mm。结构连接采用RBE2、RBE3、粘胶、焊接单元，并充分考虑结构的具体特征如圆角、翻边、工艺孔等，对结构的简化处理不影响结构的强度分析结果。完成后的行李箱有限元模型网格数量共有73475个，其中三角形壳单元3476个，占4.7%。单元质量符合企业给定标准。行李箱有限元模型见图1。
1.2材料属性
计算中所使用的材料参数如下：
1.3边界载荷
根据试验方法对行李箱盖进行约束和加载，具体方法如下：
约束条件：在行李箱盖铰链安装点处约束所有自由度，边界条件设置如图2。
载荷工况：在行李箱盖latch处施加力F=100N，方向为X向（车身前后方向），载荷设置如图3。
2 分析结果
通过OptiStruct求解计算出施力点的X方向位移值，体现出图2-3所示的R角的变化程度，反映行李箱盖的刚度特性。
分析结果得到该点的X向位移为4.94mm。为设定分析优化目标，特取一款类似的参考样车的行李箱盖做同样的工况分析，得出的位移值为4.4mm。因此，对该行李箱盖的结构强度优化目标，即在该载荷工况下，施力点的X向位移值≤4.4mm。
3 优化方案
根据经验，为提升行李箱盖的刚性，减少面板变形量，需加强行李箱盖内部R角折弯部位的刚度。因此，根据设计空间和成本考量，提出以下两种优化方案，并将分析结果与参考样车分析值进行对比，选取最佳方案。
方案一：在行李箱盖内板R角折弯部位添加凸筋。见图4。
方案二：将行李箱盖左右铰链加强板加长。见图 5。
以上两种优化方案分析结果如下：
以上分析结果（图6 和图7）可以看出，方案一的施力点位移变化量略有减小，但未达到目标要求；而方案二的施力点位移变化量下降13.36%，到达4.28mm，低于目标4.4mm，说明该方案能够有效提高行李箱盖的内板刚性。
4 实车验证
根据方案二的建议，将行李箱盖左右铰链加强板加长后进行强度耐久试验测试，发现问题点已改善，不存在难以扣锁的问题。试验结果表明，优化方案二满足设计指标要求，达到了结构优化改进的目标。
5 结论
本文利用HyperWorks软件建立行李箱盖总成有限元模型，并对行李箱盖进行结构强度仿真分析。针对原先的设计问题点提出2种优化改进方案，对仿真结果进行对比分析，选取其中最佳的优化方案，并最终通过试验验证该结构优化改进是可行的。
免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删
155-2731-8020
