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基于HyperWorks/OptiStruct的空调电机支架优化设计
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:

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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。

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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)。

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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。

(图片) (图片)

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)。

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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。

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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

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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

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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

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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 12/5/2014


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