一种发动机飞轮壳有限元模型修正及结构动力学优化方法

本发明属于壳体优化设计，具体涉及一种发动机飞轮壳有限元模型修正及结构动力学优化方法。

背景技术：

1、发动机的噪声贡献量较大的部件中，辐射面积较大的部件的噪声贡献量尤为突出。发动机飞轮壳辐射面积较大，噪声贡献尤为明显。为了改善飞轮壳的动态特性，对飞轮壳进行结构动力学优化可以降低飞轮壳辐射噪声，避免发动机激励力与飞轮壳产生共振。此外，改变飞轮壳加强筋的布置形式和尺寸参数可改善飞轮壳的动态特性。

2、目前，有限元模型验证大多使用频率相关性进行验证。因此，只能在频率范围内验证模型的准确性，具有较大的局限性。为了获取验证并获取更准确的有限元模型，可通过频率和振型相关性对飞轮壳有限元模型的准确性进行验证，并基于试验模态参数对壳体有限元模型结构参数进行修正，提升有限元模型的准确性。飞轮壳的结构动力学优化多以单元密度作为设计变量，采用拓扑优化法来改善其动态特性，采用结构优化方法较少，而拓扑优化方法对于优化设计前期具有一定的指导意义，但是对于设计空间有限，无法做大面积的改进的壳体却难以实现。此外，由于飞轮壳的结构优化设计的精细化程度不高，多采用经验设计，不仅浪费了材料，还增加了设计成本。因此，需要一种可以快速、设计精准的飞轮壳结构优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种发动机飞轮壳有限元模型修正及结构动力学优化方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种发动机飞轮壳有限元模型修正及结构动力学优化方法，包括如下步骤：

4、步骤一、将飞轮壳三维模型导入ansys软件中进行计算自由模态分析，获取飞轮壳计算模态参数；

5、步骤二、将发动机飞轮壳放置在弹性轮胎上，模拟飞轮壳的自由边界条件，获取发动机飞轮壳的试验结构模态参数；

6、步骤三、对步骤一和步骤二获取的飞轮壳的计算模态参数和试验模态参数的相关性进行分析，根据分析结果对模态测试线框模型进行修正；

7、步骤四、基于步骤三修改后试验线框模型获取的试验模态参数对飞轮壳有限元模型进行修正，提升有限元模型的准确性；

8、步骤五、基于步骤四修正后的飞轮壳有限元模型结构参数对飞轮壳进行约束模态分析；

9、步骤六、对台架上的飞轮壳进行振动与噪声分析，获取飞轮壳结构动力学优化目标；

10、步骤七、在creo软件建立飞轮壳加强筋的参数化模型，将模型导入到ansysworkbench中并在design model中进行参数化，再次执行步骤五对飞轮壳进行约束模态分析，将目标频率和飞轮壳质量参数化，在design of experiments生成试验设计点，在response surfaces中生成响应面模型；

11、步骤八、使用步骤七中建立的响应面生成符合约束条件的优化目标点，然后使用moga遗传优化算法获取最优解；

12、将步骤八中的最优解插入为验证点，若符合优化指标，则生成新的飞轮壳模型；若不符合优化指标，则将该尺寸插入为细化点，生成新的响应面模型并执行后续步骤八和步骤九。

13、进一步地，所述步骤一具体为：在三维软件creo中建立飞轮壳模型，将模型导入分析软件ansys workbench中进行自由模态分析。

14、进一步地，所述步骤二具体为：使用弹性轮胎模拟飞轮壳自由边界条件时，需要将飞轮壳边缘置于弹性轮胎上，其余部分悬空，使用软件lms

15、testlab软件中impact

16、testing模块进行试验模态分析，在分析之前需要在geometry中建立飞轮壳线框模型，通过试验获取飞轮壳的自由模态频率及振型。

17、进一步地，所述步骤三具体为：对步骤一和步骤二中获取的试验模态参数进行频率相关性(ω)和振型相关性分析(mac

18、)，并通过坐标模态保准准则(comac)对试验线框模型进行修正，

19、ω％＝(ωt-ωa)/ωt(％)

20、其中，ωt为试验模态频率，ωa为计算模态频率；

21、

22、其中，第i阶振型向量，为第j阶振型向量；

23、可通过坐标模态保证准则(comac)分析由传感器的标度、校准或定位缺陷等原因导致的mac值较差的试验测点；

24、

25、其中，ψqr为试验第r阶振型，φqr为计算第r阶振型。

26、通过坐标模态保证准则对试验线框模型进行修正，重新进行模态测试，获取试验模态参数。

27、进一步地，所述步骤四具体为：使用步骤三中获取的飞轮壳试验模态参数，对飞轮壳结构参数进行修正。

28、优化的变量为：x＝(e,nu,ρ,u,z)

29、其中，e为弹性模量，nu为泊松比，ρ为密度，u网格平均质量，z网格尺寸；

30、约束函数为：

31、其中，fjca为计算模态第j阶固有频率，fjie为试验模态第j阶固有频率，

32、目标函数为：

33、其中，α为频率误差权重，取值范围为[0-1]，macjj为第j

34、阶试验模态与计算模态振型mac值。

35、进一步地，所述步骤五具体为：在ansysworkbench中添加边界条件，计算飞轮壳的约束模态频率及振型。

36、进一步地，所述步骤六具体为：对飞轮壳外表面安装振动传感器，通过振动传感器获取飞轮壳表面的振动加速度，提取加速度赋值谱幅值较大的模态频率。在发动机飞轮壳侧安装声压传感器，提取声压幅值较大的模态频率。

37、进一步地，所述步骤七具体为：在creo软件中建立飞轮壳加强筋的参数化模型，将三维软件creo与ansys

38、workbench进行关联，将模型导入ansys软件中的design

39、model中进行参数化，在design of experiments中设置加强筋的取值范围，采用中心组合设计生成试验设计点，通过生成的试验设计点可以构建响应面模型。

40、进一步地，所述步骤八具体为：设定飞轮壳优化设计约束条件和目标函数，使用步骤七中生成的响应面进行求解对应尺寸参数的目标函数，通过moga多目标遗传优化算法求解优化后的结构参数，将优化后的结构参数插入为验证点，若符合要求生成新的飞轮壳模型；若不满足优化设计要求，将优化点插入为细化点，重新生成响应面，并基于该响应面重新进行优化。

41、本发明相比现有技术具有以下优点：

42、1、本发明飞轮壳结构优化设计时，使用了仿真与测试相结合。一方面使用仿真与试验相结合的方法验证了有限元模型的准确性；另一方面通过发动机台架试验获取发动机飞轮壳的振动与噪声幅值较大的目标频率。使用代理模型的优化方法，构建飞轮壳结构参数与目标参数的响应面模型，再使用moga算法获取飞轮壳的表面加强筋的最优化参数。本方法不仅能够应用于工程实践，还可以降低设计成本，缩短设计周期。

43、2、本发明对飞轮壳结构进行了有限元模型的修正、验证及结构动力学优化。一方面确保了仿真分析的准确性；另一方面避免了飞轮壳在发动机怠速工况下发生共振，具有较强的工程实践价值。

44、3、本发明提供了一种发动机飞轮壳有限元模型修正及结构动力学优化方法。该方法以飞轮壳试验模态和计算模态频率和振型的相对误差构建优化目标函数，修正了飞轮壳有限元模型的结构参数，验证并提升了飞轮壳有限元模型的准确性，为进一步研究飞轮壳动力学特性提供了更准确的模型。基于修正后的有限元模型结构参数，通过响应面优化获取飞轮壳加强筋的最优化参数。该方法提升了仿真计算的准确性、缩短了设计时间、降低了设计成本。