張克鵬 蔡培裕 康志軍 樓軍

摘要：利用HypcrWorks平臺(tái)有限元前處理軟件HypcrMcsh，建立了某新能源卡車前保險(xiǎn)杠總成的兩種設(shè)計(jì)方案。在有限元模型基礎(chǔ)上，利用OptiStruct求解器對(duì)兩種方案進(jìn)行了模態(tài)和靜強(qiáng)度對(duì)比分析，選擇相對(duì)合理的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：保險(xiǎn)杠支架 HyperMesh OptiStruct 模態(tài) 強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U469.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-0226（2019）02-0096-05

l前言

汽車保險(xiǎn)杠足汽車上的重要部件，它是吸收和緩沖外界沖擊，保護(hù)駕駛室前后部分的安全裝置。在以節(jié)能、安全、環(huán)保為當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)的主流前提下，保險(xiǎn)杠的動(dòng)態(tài)特性更是汽車前端布置和設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。由于保險(xiǎn)杠支架與車架直接相連，且是金屬部件，因此是整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中的重點(diǎn)考察對(duì)象。

本文采用數(shù)值模擬的手段，結(jié)合模擬分析的結(jié)果，用大型有限元軟件HypcrWorks平臺(tái)下前處理工具HypcrMcsh建立某自卸車前保險(xiǎn)杠總成2種方案的有限元模型，并利用OptiStruct求解器進(jìn)行保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析;同時(shí)按照實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程及要求，運(yùn)用材料線性分析考察支架的靜態(tài)強(qiáng)度，根據(jù)分析結(jié)果選定相對(duì)合理的方案。

2保險(xiǎn)杠總成的有限元模型建立

利用設(shè)計(jì)人員提供的CAD數(shù)據(jù)模型，將其導(dǎo)入主流CAE前處理軟件HypcrMcsh進(jìn)行前處理。保險(xiǎn)杠總成包括保險(xiǎn)杠面罩、保險(xiǎn)杠骨架和車架連接支架3個(gè)部件。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)零件的幾何特征，全部采用殼單元，單元類型為CTRIA3和CQUAD4，網(wǎng)格平均尺寸設(shè)置為5 mm;面罩和骨架、骨架與支架之間采用螺栓連接，在模型建立過(guò)程中采用RBE2和BAR2一維單元模擬;汽車霧燈用質(zhì)量單元Mass替代，與保險(xiǎn)杠支架用RBE3一維單元連接。方案1和方案2的有限元模型如圖1、2所示。

3保險(xiǎn)杠總成的模態(tài)分析

3.1模態(tài)理論

模態(tài)足結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性。線性系統(tǒng)的自由振動(dòng)被解耦合為Ⅳ個(gè)正交的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的Ⅳ個(gè)模態(tài)。每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。

當(dāng)利用有限元方法求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程為：

Mx+Cx+Kx=f（t）式中，M為質(zhì)量矩陣，x為系統(tǒng)的位移列陣，i是系統(tǒng)的速度列陣、X則是系統(tǒng)的加速度列陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，f（t）為激勵(lì)力。

在模態(tài)求解時(shí)，假定結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)，則取f（t）=o。同時(shí)因結(jié)構(gòu)阻尼C很小，對(duì)固有頻率和陣型的影響很小，可忽略不計(jì)，則上式成為無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程：

Mx +Kx=o

設(shè)特解

x=φixt

則微分方程化為

（K一ω2M）φ=0

得到特征方程：

|K-ω2M|=O式中，ω為系統(tǒng)的固有系統(tǒng)，φ為相應(yīng)的振型，本次分析采用OptiStruct求解器，使用Lanczos方法提取特征值。

3.2約束邊界條件

模型中添加剛性單元（rigid bar clcmcnt）RBE2來(lái)定義剛性連接，在車架連接支架的安裝孔處，添加用于固定約束的RBE2，如圖3所示，約束該安裝孔的1—6自由度。

3.3載荷邊界條件

在HypcrMcsh建立模態(tài)分析時(shí)，設(shè)定模態(tài)數(shù)為0～30，設(shè)定頻率范圍為0～200 Hz，針對(duì)該車型來(lái)說(shuō)，這樣的設(shè)定從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)足夠了。

3.4材料設(shè)定

該保險(xiǎn)杠總成中，計(jì)算用到的材料屬性如表1所示。

3.5模態(tài)分析

將之前的模型設(shè)定好之后，提交OptiStruct求解器進(jìn)行求解，得到2種方案模態(tài)頻率值如表2所示。圖4～6分別為保險(xiǎn)杠總成前1～6階的模態(tài)振型圖，其中上面為方案1陣型圖，下面為方案2陣型圖。

保險(xiǎn)杠是固定在車架上的，發(fā)動(dòng)機(jī)也是固定在車架上的，所以保險(xiǎn)杠受到的固定激勵(lì)頻率跟發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率存在某種關(guān)系。怠速工況和正常行駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率可以由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率的計(jì)算公式獲取，由此就可以分析發(fā)動(dòng)機(jī)的主要振動(dòng)頻率范圍。該新能源卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)為某4缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為600 rad/min。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率公式，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率=（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速×發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)x2）÷（60x發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)）.通過(guò)計(jì)算可以得出其常用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率為20Hz。

從分析數(shù)據(jù)來(lái)看，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)頻率與保險(xiǎn)杠總成方案1的1階、2階模態(tài)頻率接近，將有可能在該區(qū)間某一頻率發(fā)生共振;而發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率與方案2的各階模態(tài)頻率沒(méi)有共振頻域，所以從模態(tài)方面考慮，方案2優(yōu)于方案1。

4保險(xiǎn)杠總成的靜強(qiáng)度分析

4.1力學(xué)理論

力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)和主要內(nèi)容，力學(xué)分析計(jì)算是在固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響。通過(guò)靜力分析，可以校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

線性力結(jié)構(gòu)分析用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在給定力載荷作用下的響應(yīng)。一般情況下，比較關(guān)注的往往足結(jié)構(gòu)的位移，約束反力，應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。動(dòng)力學(xué)方程為：

[M]{x}+[C]{x}+[k]={F（f）}式中，[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度系數(shù)矩陣;{x}為位移矢量;{F}為力矢量。

線性力結(jié)構(gòu)分析中，所有與時(shí)間相關(guān)的選項(xiàng)都被忽略，于是上式簡(jiǎn)化為：

[K]{x}={F}

在分析過(guò)程II，應(yīng)該滿足以下假設(shè)條件：[K]矩陣必須足連續(xù)的，相應(yīng)的材料需滿足線彈性和小變形理論。{F}矩陣為力載荷，同時(shí)不考慮隨時(shí)間變化的載荷，不考慮慣性（質(zhì)量、阻尼等）的影響。

4.2靜強(qiáng)度分析

保險(xiǎn)杠總成在車輛行駛過(guò)程巾，受到?jīng)_擊的典型工況為制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和垂向，表3為三種工況下，作用在該自卸車車型保險(xiǎn)杠總成的沖擊加速度，表3中的工況及加速度大小來(lái)源于整車廠對(duì)保險(xiǎn)杠總成的試驗(yàn)測(cè)試。

表4為三種工況下最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)，圖7～9為兩種保險(xiǎn)杠總成方案在三種工況下的應(yīng)力云圖。

從計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，在車輛制動(dòng)工況下，其方案1最大應(yīng)力為27.17 MPa，方案2最大應(yīng)力為17.77 MPa.最大應(yīng)力均出現(xiàn)在車架連接支架上;轉(zhuǎn)彎工況下，方案1最大應(yīng)力為20.56MPa，方案2最大應(yīng)力為26.29 MPa.最大應(yīng)力均出現(xiàn)在車架連接支架上;垂向工況下，方案1最大應(yīng)力為32.26 MPa，方案2最大應(yīng)力為33.09MPa，最大應(yīng)力也均出現(xiàn)在車架連接支架上。

三種工況下，兩種方案的最大應(yīng)力都沒(méi)有超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度350 MPa.且具有很高的安全系數(shù)，整體滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)語(yǔ)

本文以某自卸車型2種保險(xiǎn)杠總成方案為研究對(duì)象，利用HyperMesh建立了保險(xiǎn)杠總成的有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用OptiStruct求解器對(duì)2種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模態(tài)和靜強(qiáng)度對(duì)比分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇。

本文對(duì)2種保險(xiǎn)杠總成方案進(jìn)行模態(tài)分析后，發(fā)現(xiàn)方案1與發(fā)動(dòng)機(jī)頻率之間有共振分析;對(duì)2種方案進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，兩種方案的最大應(yīng)力均沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，所以建議選擇方案2作為其最終的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

[1]陳剛，工家華.基于有限元分析的空濾器支架輕顯化設(shè)計(jì)[J]機(jī)械，2015 （5）：34～38

[2]熊偉，余顯忠，黃暉等.基于MSC Nastran的后保險(xiǎn)杠頻率響應(yīng)分析[J]計(jì)算機(jī)輔助工程2013 （22）：87～90

[3]李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.Hyperworks分析應(yīng)川實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008

[4]周傳月，騰萬(wàn)秀，張俊掌，工程有限元與分析優(yōu)化分析應(yīng)用實(shí)例教程[M].北京：科學(xué)出版社，2005

[5]工鈺棟，余磊，洪清泉等.HyperMesh&HyperView應(yīng)川技巧與高級(jí)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[6]洪清泉，趙康，張攀等.OptiStn，ict&HyperStudy理基礎(chǔ)與工程應(yīng)川[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2012