基于拓扑优化方法的发动机罩板结构轻量化研究

同济大学机械工程学院

硕士学位论文

基于拓扑优化方法的发动机罩板结构轻量化研究

姓名：华成

申请学位级别：硕士

专业：机械制造及其自动化

指导教师：刘海江

20080301

摘要

摘要

在石油资源口趋紧张的今天，节能增效已成为礼会的｛ｉ题。凶此，刈‘十汽车行业而言，轻量化技术的发展已是大势所趋。汽车轻量化技术的心用将极人的减少石油资源的消耗，同时改善汽车的动力和力学性能。但是同前国内的汽车轻量化技术尚处于起步阶段，轻量化的应用具有较大的盲目性。冈此，进行新的轻量化技术的研究对于我国汽车工业的发展是十分有必要也是相当迫切的。

本文以某型汽车的发动机罩板作为研究对象，以拓扑优化方法作为指导，借助先进的结构优化分析软件实现１ｒ罩板结构的优化和轻量化设计。论文主要从结构拓扑优化理论和实际罩板的结构优化没计两个方面入手。在优化理论方面，主要建立了结构拓扑优化的数学模型，分析Ｊ，均匀化方法和变密度法两种Ｆ１前最常用的结构拓扑优化方法及其优化基本流程，同时也简单介绍Ｊ，罩板结构优化中使用到的有限单元法板壳理论。在罩板的结构优化设计方面，主要是以结构优化理论和流程作为基础，借助Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ和Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ两利，软件来实现的。首先是有限单／亡法下罩板的结构离散化，使用人量的壳单元体来替代原始的罩板结构，这是有限元计算和拓扑优化设计的前提。其次，文章分析丫罩板工作状态Ｆ的三种ｒ丁况，并计算了原始罩板结构在三种工况下的应力、应变及刚度值，给出了结构力学性能计算的方法和流程。最后是拓扑优化方案的提出和优化结果的校验，文章共提出。Ｊ，三种罩板结构优化的方案，并分别按照三种方案对原始罩板结构进行了优化计算和重构，对重构后的模型进行力学性能分析，比较各种方案的特点，总结并得出了较好的罩板结构优化方案，减轻了罩板的重量，改善了罩板的实际力学性能。

本文研究的意义在于结合了目前流行的拓扑结构优化理论，给出了结构优化设计的基本流程和方法，并得到了发动机罩板实体的优化方案。对于其他的汽车部件结构轻量化设计具有较大的指导和借鉴意义。关键词：轻量化设计，结构拓扑优化，有限单元法，发动机罩板

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎ，ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＴｏｐｏｌｏｇｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ，ＥｎｇｉｎｅＨｏｏｄＨＩ

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