某发动机EGR阀座的拓扑优化及有限元分析

2018-07-09 12:27张应兵孙影

汽车零部件 2018年6期

张应兵，孙影

(安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥 230000)

0 引言

发动机产品越来越多地应用EGR(Exhaust Gas Recirculation,废气再循环)技术，通过EGR阀的控制可将排出的废气导入进气歧管，进入发动机气缸重新参与燃烧，可以减少进气冲程的泵气损失来降低油耗；运用EGR阀可以降低发动机在启动工况、怠速和低负荷工况时由于节气门开度较小引起的节流损失；大负荷、高速及油门全开时，EGR阀能够降低排气温度。

为了满足公司节油指标的需要，提升公司乘用车产品的竞争力，某公司拟在某款发动机产品上应用EGR技术，EGR阀通过阀座与缸体联接，因此需设计EGR阀的安装阀座。根据该发动机原布置方案，设计工程师给出了阀座最大设计空间的初始模型，如图1所示。

图1 EGR阀座三维模型

文中将通过拓扑优化设计进行减材料优化，给出阀座的最佳结构，实现轻量化，并对此结构的NVH(Noise Vibration Harshness)性能和强度进行分析、验证。

1 拓扑优化

结构优化按照设计变量的不同分为3个层次：尺寸优化、形状优化和拓扑优化[1]。其中，拓扑优化是以改善结构力学性能或减轻结构质量为目标的一种新型的结构设计方法[2]，它在减轻质量、提高结构模态和强度研发中的作用日益重要。拓扑优化是基于拓扑数学方法识别几何体的冗余空间结构，生成更加合理的优化形状及材料分布。

1.1 计算描述

对设计工程师提供的EGR阀座实体模型进行切割，识别出可设计区域(浅灰色)和不可设计区域(深灰色)，如图2所示。将可设计区域和不可设计区域作为两个独立的实体进行网格划分，分别保存在不同的Component中，并保证二者接触面上的网格节点一一对应，最终通过共节点将二者的体网格模型联接起来。

有限元模型划分好之后，创建用于拓扑优化分析的设计变量、响应，并定义约束、目标函数。在此优化计算中将可设计区域的单元密度定义为设计变量，约束可设计部分体积上限为原体积的40%，优化目标是使第一阶固有频率最大化，另外还需要定义一个求解模态频率的载荷步，以便在定义频率响应时调用。以上参数设置完毕后，在HyperMesh中，调用OptiStruct求解器进行求解以确定优化的材料分布，求解之后使用HyperView进行后处理、查看结果。

1.2 拓扑优化结果

图3所示为EGR阀座的单元密度云图，云图中灰色区域单元的密度趋于1.0，表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；云图中黑色区域单元的密度趋于0.0，表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计。

如图3所示，为实现轻量化，可以对图中椭圆1、2标记处的结构进行倒圆角处理。

图4所示为EGR阀座的第一阶模态振型图，其振型主要表现为绕着Y轴的往复摆动。为提高其结构刚度，可以采取在图4中椭圆1标记的结构处进行加筋处理，达到抑制其一阶模态振型的目的。

图3 EGR阀座单元密度云图

图4 EGR阀座第一阶模态振型

2 优化后结构验证

根据拓扑优化结果，设计工程师对EGR阀座的结构进行优化，去除不重要的材料并在薄弱处添加加强筋，最终优化后的EGR阀座的结构如图5所示。为验证拓扑优化的效果，对EGR阀座进行模态分析和强度分析。

图5 拓扑优化后的EGR阀座结构

2.1 计算描述

为更加真实地模拟阀座的约束及受力，在对阀座进行模态和强度及疲劳分析时，按照阀座与零部件的实际装配、连接关系进行建模，主要包括EGR阀座、进气歧管、缸体、缸盖、EGR、波纹管、螺栓、导流管及其垫片等，将所有零部件的STP格式三维模型导入HyperMesh中进行网格划分，并设置好材料属性以及各零部件间的接触或绑定关系。

EGR阀座材料铸铝的屈服极限为180 MPa。

螺栓规格为M8，打紧扭矩为20～25 N·m，相应的最大螺栓预紧力为19 800 N，最小螺栓预紧力为12 400 N。