基于整車誤用工況的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

郭紹良，李進(jìn)超，熊 飛，周鑫美，李玉發(fā)

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

2016191

基于整車誤用工況的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

郭紹良，李進(jìn)超，熊 飛，周鑫美，李玉發(fā)

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

某款乘用車在開發(fā)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架在整車誤用試驗(yàn)工況下發(fā)生斷裂。通過對(duì)斷口進(jìn)行宏觀分析，初步判斷懸置支架系因誤用工況下承受載荷過大而發(fā)生快速斷裂。本文中通過建立整車車輛動(dòng)力學(xué)模型，以模擬誤用試驗(yàn)工況，獲取懸置支架的載荷并進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。分析結(jié)果顯示該工況下，懸置支架強(qiáng)度不滿足要求且分析結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)位置同試驗(yàn)實(shí)際發(fā)生斷裂位置一致。最后，基于該誤用工況和懸置強(qiáng)度校核常用的28種工況對(duì)懸置支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，制作優(yōu)化設(shè)計(jì)方案樣件經(jīng)過搭載實(shí)車試驗(yàn)沒有發(fā)生斷裂。本文的研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的強(qiáng)度性能設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架；車輛動(dòng)力學(xué)；有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化

前言

動(dòng)力總成是汽車的主要振源之一，懸置系統(tǒng)作為連接動(dòng)力總成和車架之間的重要零件，除了要在各個(gè)工況下支撐動(dòng)力總成，還需要良好的隔振性能。懸置系統(tǒng)一般包括橡膠襯套和金屬支架，金屬支架起支撐動(dòng)力總成并傳遞振動(dòng)的作用，而橡膠襯套主要起隔振作用[1]。金屬支架對(duì)振動(dòng)的傳遞有重要影響，因此金屬支架的剛度和模態(tài)都要滿足一定要求。金屬支架對(duì)動(dòng)力總成起支撐作用，需要足夠的強(qiáng)度，在動(dòng)力總成一些極端工況時(shí)，仍能提供足夠的支撐，而不會(huì)發(fā)生斷裂。

在懸置系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要對(duì)懸置支架的強(qiáng)度進(jìn)行校核。行業(yè)內(nèi)使用較多校核懸置支架的工況有28種[2]，如表1所示。在開發(fā)某款乘用車的懸置系統(tǒng)時(shí)，懸置支架結(jié)構(gòu)如圖1所示，該支架經(jīng)過28種工況的校核沒有問題，而在整車誤用試驗(yàn)中發(fā)生如圖2所示的斷裂。觀察支架的斷口如圖3所示，無明顯疲勞輝紋，整個(gè)斷裂以快速斷裂為主，螺栓孔附近的斷面能看到“人”字花紋樣，并指向斷裂源。斷口組織細(xì)密，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾砂、縮孔和氣孔等鑄造缺陷，并對(duì)懸置支架化學(xué)成分檢測(cè)如表2所示，滿足JIS H5302—2000標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料ADC12的要求，故初步判斷斷裂原因?yàn)閼抑弥Ъ艹惺苓^大的載荷[3]。

表1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)工況

圖1 懸置支架

圖2 斷裂的懸置支架

圖3 支架斷口

%

本文中以懸置支架斷裂的整車誤用工況為出發(fā)點(diǎn)，認(rèn)為除了通過28種工況進(jìn)行懸置支架校核外，還需根據(jù)整車實(shí)際的使用工況，增加對(duì)懸置支架的校核。通過建立整車車輛動(dòng)力模型開展誤用試驗(yàn)工況模擬分析，獲取該工況的載荷來校核懸置支架，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以解決懸置支架斷裂問題，為后續(xù)車輛懸置設(shè)計(jì)開發(fā)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 動(dòng)力學(xué)誤用工況模擬與載荷獲取

1.1 整車仿真模型建立

為建立適合本文中進(jìn)行整車誤用工況模擬的多體模型，在Adams/Car中里建立整車動(dòng)力學(xué)仿真分析模型，再在Adams/View中建立相應(yīng)的障礙物和碰撞約束，驅(qū)動(dòng)車輛以一定的速度通過障礙物，分析動(dòng)力總成左懸置的受力。

在Adams/Car中建立整車模型，包括前后懸架系統(tǒng)、車身、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系和輪胎等子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都按照實(shí)車的硬點(diǎn)、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理參數(shù)建模，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器控制策略采用實(shí)際ECU策略建模。整車模型及實(shí)車如圖4所示，其中前懸架為雙叉臂獨(dú)立懸架，后懸架為多連桿獨(dú)立懸架。

圖4 整車動(dòng)力學(xué)仿真模型及實(shí)車

根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)通過的障礙物尺寸在Adams/View中建立相應(yīng)障礙物，如圖5所示。該障礙物為一斜坡，車輛以一定的速度駛上斜坡，并繼續(xù)向前行駛，建立路面與車輛底盤的接觸以獲得接觸碰撞力。

圖5 路面

1.2 整車仿真模型驗(yàn)證

由于整車模型為全物理參數(shù)建模，為驗(yàn)證整車仿真模型的準(zhǔn)確性，本文中采用與樣車操穩(wěn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照的方法對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定和校驗(yàn)，通過仿真模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)值的對(duì)比分析，證實(shí)仿真模型的有效性，使其達(dá)到此次研究所要求的精度。

根據(jù)研究需求選擇穩(wěn)態(tài)定半徑(轉(zhuǎn)向盤左轉(zhuǎn))試驗(yàn)進(jìn)行整車模型驗(yàn)證，試驗(yàn)測(cè)試如圖6所示。穩(wěn)態(tài)定半徑工況代表車輛一種穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，車輛以固定的轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎行駛，車速逐漸增加到達(dá)最大側(cè)向加速度為止。該工況代表了車輛的基本操縱性能，主要反映車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。 穩(wěn)態(tài)定半徑一般選取車輛穩(wěn)態(tài)不足轉(zhuǎn)向度和穩(wěn)態(tài)側(cè)傾梯度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)側(cè)傾梯度用車身側(cè)傾角同側(cè)向加速度曲線的斜率來表示，如圖7所示。穩(wěn)態(tài)不足轉(zhuǎn)向度用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角同側(cè)向加速度曲線斜率來表示，如圖8所示。通過圖7和圖8對(duì)比結(jié)果可以看出整車操穩(wěn)仿真和試驗(yàn)曲線較一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖6 試驗(yàn)傳感器的安裝

1.3 仿真分析結(jié)果

在Adams/View中控制車輛以50km/h的車速通過斜坡，仿真結(jié)果顯示，車輛通過斜坡后前輪先著地后，向前行駛了一小段距離，同時(shí)車身繼續(xù)向下俯沖，由于車身前傾較大，前副車架與地面發(fā)生碰撞，如圖9所示，經(jīng)檢查實(shí)車說明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，如圖10所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)側(cè)傾梯度

圖8 穩(wěn)態(tài)不足轉(zhuǎn)向度

圖9 左懸置受力最大時(shí)刻

圖10 試驗(yàn)情況

在這個(gè)過程中，左懸置所受的垂向力如圖11所示。第1個(gè)較大的波峰，左懸置受17kN的力，這是車輛沖上斜坡時(shí)產(chǎn)生的；第2個(gè)波峰左懸置受38kN的力，是車輛落地后前副車架與地面發(fā)生碰撞時(shí)車身產(chǎn)生較大的加速度，由于動(dòng)力總成的慣性力，此時(shí)懸置受力最大。

圖11 左懸置垂向力受力圖

2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化包括連續(xù)體結(jié)構(gòu)和離散結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的主要方法是將設(shè)計(jì)區(qū)域劃分成有限單元，根據(jù)一定的算法將一部分區(qū)域刪除，形成帶孔的連續(xù)體，以實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。連續(xù)體的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化目前應(yīng)用較多的是變密度法、均勻化法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[4]。拓?fù)鋬?yōu)化在汽車零部件的設(shè)計(jì)中使用較多，可避免傳統(tǒng)優(yōu)化時(shí)的盲目性，并減少重復(fù)建模的工作量，可快速找到優(yōu)化方案。

本文中應(yīng)用的是變密度法。變密度法以每個(gè)單元的相對(duì)密度作為設(shè)計(jì)變量，基于材料的各向同性，以連續(xù)變量密度函數(shù)的形式表達(dá)單元相對(duì)密度與材料彈性模量之間的關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系是人為假定的，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高。

變密度中常用的差值模型有固體各向同性懲罰微結(jié)構(gòu)模型(solid isotropic microstructure with penalization，SIMP)和材料屬性的合理近似模型(rational approximation of material properties，RAMP)。本文中采用SIMP模型，通過引入懲罰因子對(duì)中間密度值進(jìn)行懲罰，使中間密度值向0和1兩端聚集，以得到較好的優(yōu)化結(jié)果。在給定的位移邊界與載荷條件下，線彈性結(jié)構(gòu)基于SIMP方法的拓?fù)鋬?yōu)化模型[5-6]為

設(shè)材料模型為

ρ(x)=xeρ0

(1)

(2)

則拓?fù)鋬?yōu)化模型為

(3)

(4)

KU=F(0

(5)

式中：ρ和ρ0為均質(zhì)實(shí)體密度、均質(zhì)實(shí)體的密度矩陣；E和E0為均質(zhì)實(shí)體彈性模量、均質(zhì)實(shí)體的彈性矩陣；C(x)為結(jié)構(gòu)總?cè)岫龋籙和F為位移矢量、力矢量；k0和K為單元?jiǎng)偠染仃?、總體剛度矩陣；ue為單元位移矢量；xe，xmin和xmax為單元的相對(duì)密度、單元密度下限(取0.01)、單元密度上限(取1)；V0，ve和Vaim為結(jié)構(gòu)初始體積、優(yōu)化后單元體積、優(yōu)化后結(jié)構(gòu)體積，m3；Vmax為體積約束條件；p為懲罰因子；N為結(jié)構(gòu)離散單元總數(shù)；f為優(yōu)化體積系數(shù)。

變密度法以單元的相對(duì)密度xe為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量，把結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)換為求解材料的最優(yōu)分布問題。在選擇拓?fù)鋬?yōu)化算法時(shí)，由于優(yōu)化準(zhǔn)則算法收斂速度快，迭代次數(shù)少，而且適用于復(fù)雜模型，故本文中應(yīng)用優(yōu)化準(zhǔn)則算法求解SIMP的數(shù)學(xué)模型。

2.2 原方案強(qiáng)度校核

根據(jù)懸置支架的邊界條件和載荷，建立懸置支架的有限元模型。由于懸置支架與動(dòng)力總成支架接觸，并通過螺栓壓緊到一起，且本文中懸置支架開裂位置為螺栓孔附近，為得到較準(zhǔn)確的螺栓孔附近的應(yīng)力，故不能采用剛性單元代替螺栓來連接兩個(gè)支架，本文中通過建立螺栓的實(shí)體模型進(jìn)行分析，以得到螺栓孔附近的準(zhǔn)確應(yīng)力結(jié)果。螺栓采用六面體單元建模，單元類型為C3D8，3個(gè)螺栓共5 685個(gè)單元。懸置支架采用2階四面體單元，單元類型為C3D10，劃分成66 397個(gè)單元。螺栓、懸置支架和動(dòng)力總成支架之間建立接觸關(guān)系，并在螺栓內(nèi)部施加預(yù)緊力。在動(dòng)力總成支架的3個(gè)螺栓孔上建立固定約束，并在懸置中心點(diǎn)加載載荷，如圖12所示。需建立2個(gè)載荷步，第1個(gè)載荷步先施加3個(gè)螺栓的預(yù)緊力，把懸置支架壓緊到動(dòng)力總成支架上；第2個(gè)載荷步再施加誤用工況懸置支架的載荷。

圖12 有限元建模

計(jì)算結(jié)果如圖13所示。該工況下最大應(yīng)力309MPa，材料斷裂強(qiáng)度為253MPa，故該工況下懸置支架存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)力最大處位于螺栓孔內(nèi)側(cè)邊緣，對(duì)比圖3可知，應(yīng)力最大處與斷口分析斷裂源位置相一致?？梢娬噭?dòng)力學(xué)仿真模型對(duì)該工況的仿真及有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相一致，基本找到懸置斷裂的原因。

圖13 強(qiáng)度分析結(jié)果

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

通過整車動(dòng)力學(xué)仿真誤用工況和有限元強(qiáng)度分析，確定了懸置支架斷裂的原因，由于載荷過大，懸置支架螺栓孔附近強(qiáng)度不足，超過材料斷裂強(qiáng)度，故需對(duì)懸置支架進(jìn)行優(yōu)化，本文中采用變密度法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。在Hypermesh的Optistruct模塊中實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化，其中需定義3個(gè)優(yōu)化要素：設(shè)計(jì)區(qū)域、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域的選擇是比較敏感的，優(yōu)化區(qū)域的設(shè)置會(huì)直接影響到優(yōu)化的結(jié)果。在空間允許的前提下，應(yīng)盡量選擇較大的設(shè)計(jì)區(qū)域。故把懸置支架的有孔區(qū)域進(jìn)行填充，如圖14所示。因橡膠硫化區(qū)域不進(jìn)行變更，螺栓孔附近為保證螺栓壓緊時(shí)有良好的接觸效果，故兩個(gè)部分定義為非優(yōu)化區(qū)域。

圖14 優(yōu)化區(qū)域定義

進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，根據(jù)零部件的具體工藝和其他要求，需要考慮優(yōu)化后零件的工藝性，保證零部件工藝的可行性[7]。懸置支架采用鑄鋁工藝，需考慮零件的最小和最大結(jié)構(gòu)尺寸、對(duì)稱、拔模的角度和方向等，故懸置支架拓?fù)鋬?yōu)化模型設(shè)置[8-9]如下。

優(yōu)化目標(biāo)：懸置支架柔度最小。

優(yōu)化約束：優(yōu)化區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)<60%，最大應(yīng)力<220MPa。

制造約束：最小單元尺寸>4mm，拔模方向?yàn)檎嘮軸負(fù)向。

拓?fù)鋬?yōu)化的有限元模型如圖15所示，對(duì)動(dòng)力總成支架的3個(gè)螺栓孔進(jìn)行固定約束，懸置支架與動(dòng)力總成支架之間通過剛性單元rbe2進(jìn)行連接，在懸置支架彈性中心施加載荷38kN[10]。

圖15 拓?fù)鋬?yōu)化模型

在Hypermesh的Optistruct模塊中對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行求解，得到偽密度為0.6～1.0的云圖，可根據(jù)圖16進(jìn)行懸置支架的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖16 0.6以上偽密度云圖

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

基于圖16拓?fù)鋬?yōu)化偽密度云圖，對(duì)懸置支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，如圖17所示。然后對(duì)該支架進(jìn)行整車誤用工況的強(qiáng)度校核，最大應(yīng)力230MPa，如圖18所示，小于材料抗拉強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖17 重新設(shè)計(jì)的懸置支架

圖18 優(yōu)化后的強(qiáng)度分析結(jié)果

為較全面地校核優(yōu)化后的懸置支架強(qiáng)度性能，再次用28工況進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果如表3所示。最大應(yīng)力為68.7MPa，比整車誤用工況最大應(yīng)力小很多，再次驗(yàn)證28工況不能代表所有的汽車使用工況，而整車誤用工況作為補(bǔ)充，對(duì)懸置支架的強(qiáng)度提出更高的要求，同時(shí)驗(yàn)證了拓?fù)鋬?yōu)化后的懸置支架滿足28工況的強(qiáng)度要求。

表3 28工況分析結(jié)果 MPa

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

臺(tái)架試驗(yàn)可在較短的時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證零部件的部分性能，并可控制試驗(yàn)環(huán)境，且便于控制試驗(yàn)進(jìn)度和觀察試驗(yàn)結(jié)果。故懸置支架設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)。其中Z向耐久試驗(yàn)臺(tái)架如圖19所示，經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，懸置支架無開裂發(fā)生，說明懸置支架滿足基本的耐久性能。

圖19 懸置支架臺(tái)架試驗(yàn)

3.2 整車道路試驗(yàn)

除了做零部件級(jí)別的臺(tái)架試驗(yàn)外，還需將零部件搭載到整車上進(jìn)行整車可靠性試驗(yàn)。整車可靠性試驗(yàn)由多種路面組成，其中一部分路面如圖20所示。此外，整車還需要做驅(qū)動(dòng)耐久試驗(yàn)，這個(gè)試驗(yàn)主要考察動(dòng)力系統(tǒng)。試驗(yàn)中包含一些極限工況，同時(shí)這也是對(duì)懸置支架的強(qiáng)度和耐久性能的考察。

圖20 部分道路試驗(yàn)路面

為驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化的新結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能，裝配優(yōu)化后的懸置支架再次進(jìn)行整車誤用試驗(yàn)，如圖21所示。試驗(yàn)驗(yàn)證懸置支架無斷裂，說明整車動(dòng)力學(xué)模型的仿真和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是有效的。

圖21 整車誤用試驗(yàn)

4 結(jié)論

本文中從懸置支架斷裂的實(shí)際工況出發(fā)，用車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型模擬該工況，根據(jù)解算出的載荷優(yōu)化懸置支架，最終解決支架斷裂問題，得到如下結(jié)論。

(1)常用校核懸置支架強(qiáng)度的28種工況包含了車輛基本的使用工況，但一些整車誤用工況未包含在內(nèi)，在做懸置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)車輛設(shè)計(jì)的使用工況，對(duì)校核工況進(jìn)行一定調(diào)整。

(2)為得到某些工況下懸置的受力情況，可通過整車動(dòng)力學(xué)仿真模型模擬分析實(shí)際工況，進(jìn)而得到懸置的載荷。這個(gè)過程中要對(duì)整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以保證載荷解算的準(zhǔn)確性。

(3)懸置支架優(yōu)化作為典型的連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用變密度法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，可快速得到較理想的優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后需進(jìn)行相應(yīng)的校核分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

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A Research on Structure Optimization of Engine Mount Bracket Based on Misuse Working Condition

Guo Shaoliang, Li Jinchao, Xiong Fei, Zhou Xinmei & Li Yufa

AutomotiveEngineeringInstitute,GuangzhouAutomobileGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511434

In the development process of a passenger car, its engine mount bracket was broken under a misuse working condition. According to a preliminary judgment by macroscopic fractography, the rapid break of mounting bracket is caused by overloading in misuse condition. Based on this, a vehicle dynamics model is built to simulate the misuse condition, with the load on the bracket obtained and a corresponding structural strength check conducted. The results reveal that the mounting bracket does not meet the strength requirements, and the bracket risky position by analysis is consistent with that really happened. Finally a topology optimization is performed on the bracket with both misuse condition and 28 conditions for strength check commonly used. A sample part of optimized scheme for the bracket is produced and installed on real vehicle for field test with no break happened again. The research provides important references for the strength design of engine mount bracket.

engine mount bracket; vehicle dynamics; FEA; topology optimization

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月8日。