鄭杰， 周宏根， 顧明， 濮軍洋

（1.江蘇科技大學(xué) 現(xiàn)代制造研究所，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

1 引 言

隨著世界船舶行業(yè)的發(fā)展，船舶公司生產(chǎn)越來越多的大噸位運(yùn)輸船，整個(gè)行業(yè)對大功率船用柴油機(jī)的需求越來越大，大功率船用柴油機(jī)的性能越來越受到企業(yè)的重視。如何減輕柴油機(jī)重量，提高柴油機(jī)效率成為行業(yè)內(nèi)熱門的研究話題。

為了提高柴油機(jī)的整體性能，要求對柴油機(jī)的曲軸、連桿、活塞、氣缸、油底殼等零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到整體最優(yōu)的效果。以往船舶柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析都是建立在靜力學(xué)等效原則的基礎(chǔ)上，計(jì)算出各自產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力，與氣體爆發(fā)壓力合成后求解出對船舶的作用力以及曲軸系振動的激振力，這是一個(gè)十分繁瑣的過程。油底殼的模態(tài)分析以及氣缸的熱力學(xué)分析沒有緊密聯(lián)系在一起。即使各個(gè)主要零部件的設(shè)計(jì)效果達(dá)到最優(yōu)，也很難保證整體性能達(dá)到最優(yōu)。

2 多學(xué)科優(yōu)化理論

近年來，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化MDO（Multidisciplinary Design Optimization）在當(dāng)前國際上飛行器、魚雷發(fā)射器、火炮設(shè)計(jì)研究中得到了廣泛的應(yīng)用，也運(yùn)用到了眾多的船舶領(lǐng)域。與普通單學(xué)科優(yōu)化相比，MDO 的突出特點(diǎn)是由于學(xué)科的增加帶來分析模型規(guī)模的增加，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)分析時(shí)的計(jì)算量隨之增加，設(shè)計(jì)變量的增加，大大增加優(yōu)化的計(jì)算負(fù)擔(dān)。由于多數(shù)優(yōu)化算法的求解時(shí)間是隨設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)而呈非線性增加，從而使MDO 的計(jì)算量通常要比所涉及各單學(xué)科各自優(yōu)化計(jì)算量的代數(shù)和大得多。由于設(shè)計(jì)變量和約束條件的數(shù)目很大，如果仍按照單學(xué)科優(yōu)化的方法，難以在現(xiàn)有計(jì)算條件和時(shí)間要求內(nèi)取得滿意的解。因此，MDO 往往要采用一些特殊的技術(shù)，這些技術(shù)構(gòu)成了MDO 的主要內(nèi)容［2］。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的基本指導(dǎo)思想是利用合適的優(yōu)化策略組織和管理優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，通過分解、協(xié)調(diào)等手段將復(fù)雜系統(tǒng)分解為與現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)組織形式相一致的若干子系統(tǒng)，從而可以利用工業(yè)界現(xiàn)有的各學(xué)科分析設(shè)計(jì)工具，在分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上集成各學(xué)科或子系統(tǒng)已有的豐富知識與經(jīng)驗(yàn)，對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)成本和提高產(chǎn)品競爭力的目的［1］。

本課題以R175A 船用柴油機(jī)為模型，對船用柴油機(jī)的油底殼建立了三維模型。油底殼三維模型建立的方法主要是運(yùn)用參數(shù)化建模，以便于后期優(yōu)化過程中對油底殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改時(shí)，一個(gè)尺寸的改變不會使其他固定尺寸改變。將建好的油底殼三維模型另存為x_t 格式并導(dǎo)入到ANSYS 中對其進(jìn)行模態(tài)分析、強(qiáng)度分析、質(zhì)量計(jì)算。設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，找出設(shè)計(jì)變量、約束條件，建立數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用iSIGHT 集成ANSYS、SolidWorks 對各個(gè)零部件進(jìn)行最優(yōu)解計(jì)算，從而得到優(yōu)化結(jié)果。

3 研究對象的參數(shù)化建模

圖1 油底殼

船舶柴油機(jī)主要由曲軸、連桿、活塞、氣缸、機(jī)體、油底殼等部分組成。本研究省略了曲軸自由端的傳動機(jī)構(gòu)及輸出端的減速器等，并對模型進(jìn)行了合理簡化。以R175A 柴油機(jī)為例，運(yùn)用SolidWorks 完成油底殼（圖1）的三維建模［5］。

4 油底殼有限元分析

以油底殼為例進(jìn)行有限元分析以及iSIGHT 的集成優(yōu)化。將簡化后的油底殼三維模型導(dǎo)入到ANSYS 中。

4.1 油底殼結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析

在兩根定弦上表面分別施加Fk=12735N 的正壓力，在油底殼內(nèi)表面施加隨高度變化的油壓力Fy=0-14668N，在油底殼底面施加油壓力Fy=20740N，分析后的應(yīng)力分布如圖2 和圖3。從圖2 可以看出在油底殼底部銜接區(qū)域的應(yīng)力最大，是整個(gè)油底殼最容易損壞的地方。

4.2 油底殼模態(tài)分析

油底殼通過100 顆螺栓連接使油底殼上表面與曲軸箱緊固。因此，對油底殼上表面全約束，采用Block Lanczos法提取結(jié)構(gòu)的前20 階約束模態(tài)。提取的純殼體的模態(tài)特征如表2 所示。因?yàn)闅さ慕Y(jié)構(gòu)比較緊湊，機(jī)油黏度較大，并且在柴油機(jī)正常工況下晃動幅度較小，將流體對固體的作用以固體附加質(zhì)量形式出現(xiàn)，可使流固耦合問題轉(zhuǎn)化為固體動力學(xué)問題，從而大大簡化流固耦合系統(tǒng)的分析［7］。

由表1 中前20 階模態(tài)的固有頻率可以看出：添加約束后的油底殼的固有頻率比原來沒有約束的油底殼的固有頻率要高；添加加強(qiáng)筋后的油底殼的固有頻率比沒有添加加強(qiáng)筋的油底殼的固有頻率要高。所以添加加強(qiáng)筋和約束后的油底殼在降噪和避免共振等方面性能得到了提升［6］。

圖2 沿x 方向應(yīng)力

圖3 沿y 方向應(yīng)力

表1 油底殼前20 階模態(tài)

4.3 油底殼的質(zhì)量分析

油底殼在添加加強(qiáng)筋后的固有頻率有所增加，從而提高了油底殼在降噪和共振等方面的性能，但是其體積也因?yàn)榧訌?qiáng)筋的添加而變大，整體質(zhì)量也就變大了。柴油機(jī)的質(zhì)量變大會增加它的生產(chǎn)制造成本，而現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論要求我們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，要往產(chǎn)品質(zhì)量輕、性能高的方向發(fā)展，所以接下來可以對已經(jīng)添加加強(qiáng)筋的油底殼進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化。在其固有頻率大于原固有頻率的基礎(chǔ)上減小油底殼的質(zhì)量。

油底殼的質(zhì)量計(jì)算公式：M=ρ·V，式中，ρ=7800kg/m3，體積V 可由ANSYS 前處理中Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Calc Geom Items＞Of Volumes 求得［4］。計(jì)算得到原油底殼的質(zhì)量M=0.33321×7800kg/m3=2603.8kg。

5 油底殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

5.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

因?yàn)橛偷讱さ幕驹O(shè)計(jì)尺寸已經(jīng)確定，而加強(qiáng)筋的尺寸還未確定，所以可以將加強(qiáng)筋的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使得油底殼應(yīng)力分布均勻，大小在安全強(qiáng)度內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，將油底殼的儲油量在原有基礎(chǔ)上變大，優(yōu)化后固有頻率大于原有固有頻率，優(yōu)化后油底殼質(zhì)量小于原來質(zhì)量，優(yōu)化后油底殼最大應(yīng)力最小。設(shè)計(jì)變量、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)的選取及表示見表2。

5.2 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架是指能實(shí)現(xiàn)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，包含硬件和軟件體系的計(jì)算環(huán)境，在這個(gè)計(jì)算環(huán)境中能夠集成和運(yùn)行各個(gè)學(xué)科的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科之間的通訊。MDO 計(jì)算框架可分為三個(gè)層次：第一層次是通用MDO計(jì)算框架，如ModelCenter，iSIGHT，VisualDOC，DAKOTA等；第二層次是針對某一特定MDO 方法的計(jì)算框架，如基于并行子空間優(yōu)化的CSD 框架，基于協(xié)同優(yōu)化的Caffe框架；第三層次是基于某一MDO 方法，針對某類特定優(yōu)化問題的計(jì)算框架［3］。

表2 設(shè)計(jì)變量約束條件優(yōu)化目標(biāo)

圖4 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架

此次油底殼的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化使用的是iSIGHT 軟件，對油底殼進(jìn)行優(yōu)化框架的建立。首先運(yùn)用iSIGHT集成SolidWorks 對油底殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改；再將新模型導(dǎo)入到ANSYS 中進(jìn)行模態(tài)分析、靜應(yīng)力分析、質(zhì)量計(jì)算，而且同時(shí)調(diào)用計(jì)算器功能，將新的油底殼結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入油底殼儲油體積公式中計(jì)算出油底殼的儲油量；最后再改變油底殼結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行多次迭代，找出最優(yōu)解。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架如圖4。

5.3 多學(xué)科優(yōu)化結(jié)果分析

利用多學(xué)科優(yōu)化軟件iSIGHT 集成有限元分析軟件ANSYS 來對油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先利用iSIGHT 對油底殼的加強(qiáng)筋尺寸以及油底殼尺寸進(jìn)行不斷更改，計(jì)算得出油底殼一系列的20 階固有頻率，再將不同尺寸的油底殼模型運(yùn)用ANSYS 進(jìn)行應(yīng)力分析、質(zhì)量計(jì)算、儲油量計(jì)算校核其結(jié)構(gòu)是否滿足應(yīng)力強(qiáng)度條件、質(zhì)量是否小于原來質(zhì)量、儲油量是否大于原來儲油量，最終計(jì)算出滿足條件的結(jié)構(gòu)尺寸。

本優(yōu)化問題中建立了兩個(gè)文本文件input1.bdf 和output1.dat 分別用于保存設(shè)計(jì)變量、輸出約束值和目標(biāo)變量。

優(yōu)化前后參數(shù)對比如表3。從表中可以看出：對油底殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，油底殼厚度減少5mm，底面圓角半徑減少13.16%，加強(qiáng)筋寬增加2.38%，加強(qiáng)筋厚增加24.5%。這些尺寸的改變導(dǎo)致油底殼的性能得到了顯著提升：油底殼總體質(zhì)量減輕16.21%，一階固有頻率增加4.24%，最大應(yīng)力減少4.86%，儲油量增加0.27%。

表3 油底優(yōu)化前后參數(shù)

6 結(jié) 論

通過使用多學(xué)科優(yōu)化軟件iSIGHT 與通用有限元分析軟件ANSYS 的集成，對R175A 型船用柴油機(jī)的油底殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要對其加強(qiáng)筋尺寸及油底殼尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在整體質(zhì)量小于原油底殼質(zhì)量、油底殼儲油量大于原來儲油量以及最大應(yīng)力最小要求的條件下實(shí)現(xiàn)了油底殼固有頻率最大的目標(biāo)。優(yōu)化后的油底殼的固有頻率增加了4.24%，對柴油機(jī)的減噪以及避免共振有著重大意義；最大應(yīng)力減少4.24%；油底殼儲油量增加了0.27%；油底殼的總體質(zhì)量減少了16.21%，節(jié)約了油底殼的材料，在大批量生產(chǎn)中可以節(jié)約大量的生產(chǎn)成本具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］ 任利，邵圓圓，韓虎.基于iSIGHT 的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（5）：45-48.

［2］ 鐘毅芳，陳柏鴻，周王宏.多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)原理與方法［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

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