一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法及装置

摘要

本发明提供了一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法及装置，该方法包括：获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型；对初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化；利用预设制作约束规则，同时结合仿生结构形态对拓扑优化结果进行处理，得到启停电机支架模型；对启停电机支架模型进行局部应力和疲劳的优化。本发明构建的启停电机支架模型具有轻量化和仿生化的优势，在满足模态频率要求和疲劳强度要求的前提下，大大降低了启停电机支架的材料用量和重量，提升启停电机支架的经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及启停电机的铸造铝合金安装支架设计技术领域，更具体地说，涉及一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法及装置。

背景技术

随着国家汽车排放法规的越来越严和发动机技术电气化发展的不断深入，48V启停微混技术在节能减排上越来越具有性价比。然而48V启停电机较传统电机体积更大，重量更重，不方便直接固定到发动机上，因此工程中一般采用一个启停电机支架来支撑48V启停电机的安装。

现阶段，启停电机支架模型都是通过采用人工经验的方法设计，但经验主义不可避免的造成诸多不足，比如结构笨重，结构刚性差，模态频低等。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法及装置，技术方案如下：

一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法，包括：

获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型；

对所述初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化；

利用预设制作约束规则，同时结合仿生结构形态对拓扑优化结果进行处理，得到启停电机支架模型；

对所述启停电机支架模型进行局部应力和疲劳的优化；

其中，所述对所述初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化，包括：

确定用于拓扑优化的空间区域；

在所述空间区域内以模态频率达到预设模态频率为约束、以区域体积最小为优化目标进行拓扑优化，得到最小体积参数；

对所述最小体积参数进行放大处理，并以放大处理后的所述最小体积参数为约束、以模态频率最大化为优化目标进行拓扑优化，得到所述空间区域的力的传递路径和材料的相对密度参数，所述材料的相对密度参数用于表征所述材料对模态频率的重要程度；

基于所述力的传递路径和所述材料的相对密度参数对所述初始启停电机支架模型进行材料处理。

优选的，所述获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型，包括：

根据预设配置参数生成原始启停电机支架模型，并将所述原始启停电机支架模型确定为当前支架模型；

计算所述当前支架模型的一阶次模态频率；

判断所述当前支架模型的一阶次模态频率是否在预设模态频率允许范围内；

若是，将所述当前支架模型确定为初始启停电机支架模型；

若否，对所述当前支架模型进行材料空间增加处理，并返回执行所述计算所述当前支架模型的一阶次模态频率，这一步骤。

优选的，所述方法还包括：

输出特性表，所述特性表中记录有所述空间区域的区域标识以及所述材料的相对密度参数。

一种轻混发动机48V启停电机支架的优化装置，包括：

获取模块，用于获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型；

拓扑优化模块，用于对所述初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化；

处理模块，用于利用预设制作约束规则，同时结合仿生结构形态对拓扑优化结果进行处理，得到启停电机支架模型；

局部优化模块，用于对所述启停电机支架模型进行局部应力和疲劳的优化；

其中，所述拓扑优化模块，具体用于：

确定用于拓扑优化的空间区域；在所述空间区域内以模态频率达到预设模态频率为约束、以区域体积最小为优化目标进行拓扑优化，得到最小体积参数；对所述最小体积参数进行放大处理，并以放大处理后的所述最小体积参数为约束、以模态频率最大化为优化目标进行拓扑优化，得到所述空间区域的力的传递路径和材料的相对密度参数，所述材料的相对密度参数用于表征所述材料对模态频率的重要程度；基于所述力的传递路径和所述材料的相对密度参数对所述初始启停电机支架模型进行材料处理。

优选的，所述获取模块，具体用于：

根据预设配置参数生成原始启停电机支架模型，并将所述原始启停电机支架模型确定为当前支架模型；计算所述当前支架模型的一阶次模态频率；判断所述当前支架模型的一阶次模态频率是否在预设模态频率允许范围内；若是，将所述当前支架模型确定为初始启停电机支架模型；若否，对所述当前支架模型进行材料空间增加处理，并返回执行所述计算所述当前支架模型的一阶次模态频率，这一步骤。

优选的，所述拓扑优化模块，还用于：

输出特性表，所述特性表中记录有所述空间区域的区域标识以及所述材料的相对密度参数。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

以上本发明提供一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法及装置，通过对一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型进行拓扑优化，实现对初始启停电机支架模型的轻量化；再利用预设制作约束规则对拓扑优化结果进行处理，这就使所得到的启停电机支架模型符合制作约束。由此可见，本发明构建的启停电机支架模型具有轻量化和仿生化的优势，在满足模态频率要求和疲劳强度要求的前提下，大大降低了启停电机支架的材料用量和重量，提升启停电机支架的经济性。

此外，基于本发明中启停电机支架模型所生产的启停电机支架，尤其是分离式的启停电机支架具有较强的实用性、普遍性和高效轻量性，有广阔的运用前景。

此外，本发明所构建的启停电机支架模型能广泛运用于启停电机的安装支架、发动机悬置支架等各种支架的设计和优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的轻混发动机48V启停电机支架的优化方法的方法流程图；

图2为最大材料空间下的启停电机支架模型正面图；

图3为最大材料空间下的启停电机支架模型背面图；

图4为本发明实施例提供的轻混发动机48V启停电机支架的优化方法的部分方法流程图；

图5为本发明实施例提供的轻混发动机48V启停电机支架的优化方法的另一部分方法流程图；

图6为启停电机支架模型的示例；

图7为启停电机支架模型的另一示例；

图8为本发明实施例提供的轻混发动机48V启停电机支架的优化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一阶次模态频率，常用来评价结构刚度和稳定性的参数。在外界激励频率和结构一阶次模态频率不发生共振的情况下，一阶次模态频率数值越高，则结构越刚，也就越稳定，越不容易被破坏。

本发明实施例提供一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法，该方法的方法流程图如图1所示，包括如下步骤：

S10，获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型。

本实施例中，可以考虑支架材料、支架与周围零件的空间干涉以及支架的安装间隙等，将最大材料空间下的启停电机支架模型作为初始启停电机支架模型。最大材料空间的设计使用最大，最为笨重，模态特性一般能够满足启停电机支架的设计要求。图2为最大材料空间下的启停电机支架模型正面图，图3为最大材料空间下的启停电机支架模型背面图。

在具体实现过程中，步骤S10“获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型”可以具体采用以下步骤，方法流程图如图4所示：

S101，根据预设配置参数生成原始启停电机支架模型，并将原始启停电机支架模型确定为当前支架模型。

S102，计算当前支架模型的一阶次模态频率。

本实施例中，可以利用现有模态计算方法，比如采用有限元计算方法将整个模型离散为有限个单元(单元由节点组成)，通过矩阵论求解一个矩阵论节点位移方程，方程的特征值就是模态频率，特征向量就是模态振型，解方程的过程就是模态分析的过程。

S103，判断当前支架模型的一阶次模态频率是否在预设模态频率允许范围内；若是，则执行步骤S104；若否，则执行步骤S105。

S104，将当前支架模型确定为初始启停电机支架模型。

S105，对当前支架模型进行材料空间增加处理，并返回执行步骤S102。

在执行步骤S105的过程中，材料空间理论上是指发动机总布置空间内除去启停电机以及发动机缸体、发动机缸盖等相关零件及其安装间隙后剩余的空间。

S20，对初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化。

本实施例中，初始启停电机支架模型拓扑优化的过程，即是去除对支架模态频率提升没有作用的材料区域、保留对模态频率有提高作用的材料区域。

在具体实现过程中，步骤S20“对初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化”可以具体采用以下步骤，方法流程图如图5所示：

S201，确定用于拓扑优化的空间区域。

本实施例中，用于拓扑优化的空间区域为预先定义的，可以为初始启停电机支架模型的部分或者全部。

S202，在空间区域内以模态频率达到预设模态频率为约束、以区域体积最小为优化目标进行拓扑优化，得到最小体积参数。

本实施例中，最小体积参数为空间区域内满足预设模态频率的最小区域体积。

S203，对最小体积参数进行放大处理，并以放大处理后的最小体积参数为约束、以模态频率最大化为优化目标进行拓扑优化，得到空间区域的力的传递路径和材料的相对密度参数，材料的相对密度参数用于表征材料对模态频率的重要程度。

目前技术体系下，步骤S202拓扑优化采用的算法是单元变密度法，因此得到的最小区域体积含有大量的中间密度单元，因此需要放大最小体积参数。

在执行步骤S203的过程中，为实现在相对较大空间内的拓扑优化，可以按照指定放大倍数对最小体积参数进行放大处理，比如放大15％。当然，在此过程中，还可以同时将制造约束和结构钢筋的厚度等作为辅助约束，本实施对此不做限定。

S204，基于力的传递路径和材料的相对密度参数对初始启停电机支架模型进行材料处理。

在执行步骤S204的过程中，首先将不处于结构力的传递路径上的材料进行去除，进一步，处于结构力的传递路径上的材料，去除相对密度参数小于指定的阈值的材料。

在其他一些实施例中，为及时提示工程师材料对模态频率的重要程度，步骤S20还可以包括如下步骤：

输出特性表，特性表中记录有空间区域的区域标识以及材料的相对密度参数其中，空间区域的区域标识可以为该空间区域的区域名称，还可以为区域编号等等。

当然，为生动形象地展示输出特性表，还可以图形化展示拓扑优化结果。比如可以用不同颜色填充空间区域，以此来表示该空间区域材料的相对密度参数。比如，颜色越红的空间区域、材料的相对密度参数越大，需要尽量保留。

S30，利用预设制作约束规则，同时结合仿生结构形态对拓扑优化结果进行处理，得到启停电机支架模型。

在执行步骤S30的过程中，结合零件的制作工艺约束等，对拓扑优化结果进行处理。另外，考虑到生物界的力传递路径比较省力经济，同时结合动植物仿生形态对拓扑优化结果进行处理。图6为启停电机支架模型的示例，图7为启停电机支架模型的另一示例。

S40，对启停电机支架模型进行应力和疲劳的优化。

为使启停电机支架模型符合其他测试要求，在执行步骤S40的过程中，可以基于Abaqus Fe-safe Tosca多学科联合仿真形貌优化的分析方法对启停电机支架模型做局部的强度和疲劳校核和优化，直到整个模型符合应力和疲劳设计要求。

以上步骤S101～步骤S105仅仅是本发明实施例公开的步骤S10“获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型”过程的一种优选的实现方式，有关此过程的具体实现方式可根据自己的需求任意设置，在此不做限定。

以上步骤S201～步骤S204仅仅是本发明实施例公开的步骤S20“对初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化”过程的一种优选的实现方式，有关此过程的具体实现方式可根据自己的需求任意设置，在此不做限定。

本发明实施例提供的启停电机支架模型构建方法，通过对一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型进行拓扑优化，实现对初始启停电机支架模型的轻量化；再利用预设制作约束规则对拓扑优化结果进行处理，这就使所得到的启停电机支架模型符合制作约束。由此可见，本发明构建的启停电机支架模型具有轻量化和仿生化的优势，在满足模态频率要求和疲劳强度要求的前提下，大大降低了启停电机支架的材料用量和重量，提升启停电机支架的经济性。

基于上述实施例提供的启停电机支架模型构建方法，本发明实施例则对应提供执行上述启停电机支架模型构建方法的装置，该装置的结构示意图如图8所示，包括：

获取模块10，用于获取一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型；

拓扑优化模块20，用于对初始启停电机支架模型进行两次拓扑优化；

处理模块30，用于利用预设制作约束规则，同时结合仿生结构形态对拓扑优化结果进行处理，得到启停电机支架模型；

局部优化模块40，用于对启停电机支架模型进行局部应力和疲劳的优化。

在其他一些实施例中，获取模块10，具体用于：

根据预设配置参数生成原始启停电机支架模型，并将原始启停电机支架模型确定为当前支架模型；计算当前支架模型的一阶次模态频率；判断当前支架模型的一阶次模态频率是否在预设模态频率允许范围内；若是，将当前支架模型确定为初始启停电机支架模型；若否，对当前支架模型进行材料空间增加处理，并返回执行所述计算当前支架模型的一阶次模态频率，这一步骤。

在其他一些实施例中，拓扑优化模块20，具体用于：

确定用于拓扑优化的空间区域；在空间区域内以模态频率达到预设模态频率为约束、以区域体积最小为优化目标进行拓扑优化，得到最小体积参数；对最小体积参数进行放大处理，并以放大处理后的最小体积参数为约束、以模态频率最大化为优化目标进行拓扑优化，得到空间区域的力的传递路径和材料的相对密度参数，材料的相对密度参数用于表征材料对模态频率的重要程度；基于力的传递路径和材料的相对密度参数对初始启停电机支架模型进行材料处理。

在其他一些实施例中，拓扑优化模块20，还用于：

输出特性表，所述特性表中记录有空间区域的区域标识以及所述材料的相对密度参数。

本发明实施例提供的轻混发动机48V启停电机支架的优化装置，通过对一阶次模态频率满足预设条件的初始启停电机支架模型进行拓扑优化，实现对初始启停电机支架模型的轻量化；再利用预设制作约束规则对拓扑优化结果进行处理，这就使所得到的启停电机支架模型符合制作约束。由此可见，本发明构建的启停电机支架模型具有轻量化和仿生化的优势，在满足模态频率要求和疲劳强度要求的前提下，大大降低了启停电机支架的材料用量和重量，提升启停电机支架的经济性。

以上对本发明所提供的一种轻混发动机48V启停电机支架的优化方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。