電動汽車動力總成懸置支架輕量化設(shè)計

蘇亞輝 劉向陽 汪世偉 王勇 程勛 史文龍 苗一楠

摘 要：文章利用有限元分析軟件HyperMesh建立某電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)懸置支架的CAE模型，通過模擬整車工況對其進行受力分析，根據(jù)應(yīng)力云圖分布情況設(shè)計懸置支架的最優(yōu)化降重方案。結(jié)合三維設(shè)計軟件CATIA對懸置支架的三維模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后對優(yōu)化結(jié)構(gòu)再行應(yīng)力分析校核，確保優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性，以實現(xiàn)降重目標。

關(guān)鍵詞：懸置支架;應(yīng)力分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;降重

1 引言

懸置支架作為電動汽車動力系統(tǒng)的重要零部件，其支撐動力總成的同時也承受來自動力總成的所有的力和力矩。隨著人們對汽車節(jié)能減排的問題日益關(guān)注，整車零部件的輕量化成為了主機廠以及市場客戶的關(guān)注焦點。因此，動力總成懸置支架在設(shè)計階段既要滿足強度要求，又要盡可能的減輕其自身重量[1]。

本文以某電動汽車動力總成懸置支架作為研究對象，應(yīng)用CAE分析軟件HyperMesh中的OptiStruct模板，通過模擬整車16種常規(guī)工況進行受力分析，得到各工況下懸置支架的應(yīng)力云圖。依據(jù)“薄弱處加強、強固處削弱”的原則，對懸置支架進行輕量化設(shè)計，并對其合理性進行分析校核，保證在滿足強度要求的同時達到降重目標。

2 動力總成懸置支架有限元模型

Hypermesh軟件是美國Altair公司發(fā)行的一款功能強大的CAE（Computer Aided Engineering）工程應(yīng)用軟件包，Hypermesh的前、后處理軟件擁有全面的CAD和CAE求解器接口。Hypermesh具有高效、強大的幾何清理功能并且劃分的網(wǎng)格質(zhì)量較高。Hypermesh具有功能強大的后處理工具，可對求解結(jié)果進行可視化輸出。HyperMesh的上述特點在很大程度上提高了CAE建模的效率和質(zhì)量，以便工程師把更多的精力放在后續(xù)對產(chǎn)品本身性能的研究和改進上，從而大大縮短整個設(shè)計周期[2]。

在CATIA中建立動力總成懸置支架的三維模型，將其導(dǎo)入HyperMesh軟件中劃分網(wǎng)格，并建立有限元模型，利用Optistruct計算其強度。實體模型采用的是四面體單元網(wǎng)格，單元大小為4～5mm。整個系統(tǒng)共有26434個節(jié)點，95356個單元。有限元模型如圖1[3-4]。材料屬性見表1。

整體強度分析，將驅(qū)動電機簡化為剛體、懸置支架簡化為懸臂梁。約束與驅(qū)動電機連接的安裝孔的全部自由度，動力總成質(zhì)量為66.16kg，質(zhì)心位置為（816.103，80.367，418.480）。在質(zhì)心處建立一質(zhì)量單元，與前后懸置支架用RBE2單元連接，加載點為懸置總成的質(zhì)心位置，加載后模型如圖1所示[5]。

3 懸置支架強度計算結(jié)果

用OptiStruct求解器對原懸置支架模型進行受力分析，得到16種常規(guī)工況下懸置支架應(yīng)力云圖及各工況下所受最大應(yīng)力，圖2為16種常規(guī)工況下懸置支架應(yīng)力云圖，16種常規(guī)工況下懸置支架最大應(yīng)力大小如表2所示。由上述分析結(jié)果可以看出，懸置支架最大應(yīng)力均小于屈服強度（176MPa）所選定的懸置支架強度滿足設(shè)計要求，且有較高的安全系數(shù)。左懸置支架主動側(cè)支架重量為3.03Kg，降重空間較大，需在滿足強度要求的基礎(chǔ)上對該支架進行輕量化設(shè)計。

4 懸置支架輕量化設(shè)計

4.1 降重優(yōu)化空間的設(shè)定

對16種常規(guī)工況下懸置支架的應(yīng)力云圖進行綜合分析發(fā)現(xiàn)：支架的外輪廓所受應(yīng)力普遍較小，安裝孔外圍幾乎不受力;加強筋整體受力情況良好。

根據(jù)上述分析結(jié)果，對原懸置支架結(jié)構(gòu)做出如下調(diào)整：

（1）對支架外輪廓進行削減。確保在滿足安裝接觸面的前提下，將支架外輪廓設(shè)計成最小;（2）支架形貌優(yōu)化設(shè)計。在保證懸置支架強度的前提下，將左懸置支架輪廓內(nèi)的兩條加強筋去除。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合考慮懸置支架的工藝性、可裝配性及上述結(jié)構(gòu)調(diào)整內(nèi)容，對支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的左懸置支架主動側(cè)支架如圖3所示。

優(yōu)化后的左懸置支架主動側(cè)支架重量為1.89Kg，較優(yōu)化前減輕1.14Kg，實現(xiàn)單個支架降重37.62%，降重效果明顯且可觀。

5 懸置支架輕量化設(shè)計結(jié)果驗證

為了保證優(yōu)化后左懸置支架主動側(cè)支架能夠滿足結(jié)構(gòu)強度要求，仍按照上述受力分析方法對優(yōu)化后的的懸置支架進行16種常規(guī)工況受力分析，得到各工況下的最大應(yīng)力及應(yīng)力云圖。如表3和圖4所示。

從以上分析結(jié)果可以看到，降重優(yōu)化后的懸置支架在16種常規(guī)工況下所受到最大應(yīng)力均小于屈服強度（176MPa）所選定的懸置支架強度滿足設(shè)計要求，且有較高的安全系數(shù)。同時，對比優(yōu)化前的懸置支架應(yīng)力云圖可知，新的懸置支架應(yīng)力分布更加均勻，并且加工成本低。所以，上述懸置支架的輕量化設(shè)計較為合理，且新的支架強度和重量都能滿足設(shè)計需求。

6 結(jié)語

本文以某電動汽車動力總成懸置支架作為研究對象，應(yīng)用CAE分析軟件HyperMesh中的OptiStruct模板建立動力總成懸置支架有限元模型，運用建立的動力總成懸置支架的有限元對其進行了強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將左懸置支架主動側(cè)支架由最初的1.89Kg減至1.14Kg，實現(xiàn)降重37.62%。為動力總成懸置支架的設(shè)計及輕量化提供理論依據(jù)。

參考文獻：

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[3]朱燈林，陳俊偉，俞潔，等.結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J]，機械制造與自動化，2005（6）：7-11.

[4]張立軍，靳曉雄，余卓，等.轎車車內(nèi)噪聲控制方法研究[J].汽車工程2002，24（1）：15-19.

[5]何偉麗等.基于 HyperMesh 懸置支架強度分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53（3）：15-17.