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基于HyperWorks/OptiStruct的空调电机支架优化设计 |
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作者：胡文刚 朱国生 李忠华 |
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摘要：本文针对某型号空调的电机支架的轻量化并高性能化的问题，采用 Altair 公司的 HyperWorks/OptiStruct 进行了拓扑优化和形貌优化设计，得到了合理的材料分布和加强筋分布形式。 优化后的结构相比原始结构，重量减轻 4.6%的同时，刚度提升 53.2%，达成设计目标。该支架优化设计的思路，提高了设计效率，可为后续相关零部件的设计提供参考和借鉴。
关键词：空调电机支架 拓扑优化 形貌优化 频响分析
1 概述
用户对高品质生活的极致追求以及国家能效标准的提高，使得空调室外机的噪音性能越来越多的受到关注。振动小、噪音低的特点，对作为室外机重要组成部分的电机支架提出了更高的要求。同时，在竞争极其激烈的家电行业，不断追求技术革新以及成本控制，运用先进的技术提高产品性能，并能采用较低的开发成本，是优势企业孜孜追求的目标。
本文尝试从理论出发，采用HyperWorks/OptiStruct对某型号空调电机支架进行了拓扑优化及形貌优化设计，有效提高了其刚度，并使得支架重量减轻，取得了良好的效果。
2 拓扑优化设计
2.1 拓扑优化技术简介
拓扑优化技术是优化技术中具有创新性的技术，在给定的设计空间内找到最佳的材料分布，或 者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。
优化设计的三要素：设计变量、设计约束和设计目标。因此，要确定支架优化方案首先就要确定设计的三要素。本文拓扑优化的材料模式采用密度法，即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度”作为设计变量。
本次支架优化设计流程如下：
2.2 电机支架模型拓扑优化
该电机支架原始结构及有限元模型如图2和图3所示，在电机固定中心分别施加单位转矩，计算该支架的刚度以及在单位转矩激励下的频率响应。
图2 电机支架原始几何机构及FEM模型
定义设计变量：综合考虑电机支架的工作状况，选择电机给予支架转矩作为目标工况，将支架上除固定电机外的区域作为设计区域，如图所示。红色区域为可以作为拓扑优化的设计区域，蓝色 区域为非设计区域。在材料寻优过程中，将材料分布的方式对称模式的约束 Pattern Type 定义为一 平面对称 (1-pln sym)。
图3 电机支架拓扑优化模型
定义响应：定义整个支架的一阶弯曲模态为响应mode，定义支架中间侧板某点的频响为响应Freqresp。
定义设计约束、设计目标：设计约束为响应mode的下限，即优化出来的结构的一阶弯曲模态不小于原始结构的模态；设计目标为侧板中间某点最大频响最小化，即最大Freqresp最小化。
拓扑优化结果：
通过拓扑优化分析，得到如图所示材料分布云图，通过几何重构并重新划分网格，画出拓扑优化后的支架FEM模型，如图4所示。 
图4 支架拓扑优化云图及几何重构后的FEM模型
3 形貌优化设计
3.1 形貌优化技术简介
形貌优化技术广泛应用于提高各种冲压板件的性能。
在形貌优化中，设计空间由大量的节点波动向量组成，这些节点波动向量按照一定的模式进行 组合以满足设计约束，并最终生成优化后的最佳形貌。
3.2 支架形貌优化
针对拓扑优化后的电机支架，为进一步提高其刚度，对其进行形貌优化，在拓扑结构基础上增 加加强筋的设计。在形貌优化进行过程中，同样需要定义设计变量、设计约束和设计目标：
定义设计变量：以支架实际固定在机器上的状态考察约束模态工况，固定支架两端打螺钉部位，进行模态分析。同样将支架上除固定电机之外的区域作为设计区域，如图5所示，图中颜色区域为设计区域，颜色区域为非设计区域。同样，在起筋优化时，选择筋的对称模式的约束为一平面对称(1-pln sym)。 
图5 支架形貌优化模型
定义响应：定义支架在约束模态工况下的第一阶弯曲模态为响应 mode。
定义设计目标：定义设计目标为响应mode最大化，即支架一阶模态最大化。
形貌优化结果：OptiStruct优化给出的起筋云图如图6所示，筋的分布基本是对称的，对照此云图可对支架进行几何重构。
图6 支架形貌优化云图
4 优化结果验证
结合以上拓扑优化及形貌优化得到的支架结构，对其进行约束模态分析及频响分析，将结果与优化前的结构进行对比。
4.1 约束模态分析结果
计算结果可知，在同等厚度情况下，优化后支架的一阶弯曲频率为49.2Hz，优化前为32.1Hz，优化后支架的二阶扭转模态为65.1Hz，优化前为60.6Hz，前两阶主要模态均有较大的提升。
4.2 频响分析结果
图9 优化前后支架中部某测点的频响
分析得知，在工作转速关联频域（虚线红圈内），优化后支架中部某测点频响相比原始结构有62.8%的下降，振动量改善较大，更有利于电机工作稳定。
5 结论
本文通过理论工具并结合数值模拟的方法，对空调电机支架进行了有效的拓扑优化及形貌优化 设计，找到了最佳的材料分布形式及最优的加强筋方式。经过优化后的新支架的结构，与原始结构的空调支架相比，厚度相同，重量下降4.6%↓，刚度性能提升53.2%↑，侧板振动量下降62.8%↓， 结果如下表所示：表1 电机支架优化结果
 综上所述，本文应用 HyperWorks 软件 OptiStruct 模块对空调支架进行了成功的尝试，采用拓扑优化与形貌优化结合的方法，可以高效快速的寻找材料最佳分布方式及形貌，为设计者提供新的 设计开发的思路，在确保性能的前提下，可以显著提高设计的效率，节约样机，大大缩短开发周期，降低开发成本。该方法可以推广到其他类似零部件的工程设计中去，具有良好的工程设计指导意义。
6 参考文献
[1]. 洪清泉，赵康，张潘等编著 《OptiStruct&HyperStudy 理论基础与工程应用》机械工业出版社 2012
[2]. 张胜兰，李楚琳，郑冬黎，郝琪编 《基于 HyperWorks 的结构优化设计技术》机械工业出版社 2008
[3]. Altair Optistruct8.0 Reference Guide(end)
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(12/5/2014) |
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