某車型駐車拉索支架模態(tài)及強度仿真分析與優(yōu)化

王友華 靖娟

摘 要：汽車駐車拉索支架設(shè)計的合理性直接影響著零部件的正常功能使用，而其支架的模態(tài)及強度性能是否滿足要求又起到了關(guān)鍵性作用。文章通過數(shù)值模擬分析方法，對駐車拉索支架進行模態(tài)及強度仿真分析，結(jié)合應力最大的薄弱區(qū)域進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。對優(yōu)化方案重新進行仿真分析，分析結(jié)果滿足零件設(shè)計性能要求，有效地指導了工程方案的改進設(shè)計，為相關(guān)車型支架設(shè)計及仿真分析提供了寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;支架;強度;優(yōu)化

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2019）04-81-03

1 前言

在日常汽車使用過程中，駐車制動系統(tǒng)是除了行車制動系統(tǒng)外的另一個重要的制動系統(tǒng)^[1]。同時，汽車在上坡或下坡道路上的停放狀態(tài)也是衡量駐車制動性能的關(guān)鍵因素。駐車制動使后輪產(chǎn)生制動力矩，迫使路面對后輪產(chǎn)生制動力，從而實現(xiàn)車輛制動^[2]。不論車輛在平直路面還是在斜坡路面，都經(jīng)常使用駐車制動系統(tǒng)以實現(xiàn)車輛的靜止，駐車制動系統(tǒng)中的拉索支架設(shè)計的好壞，將直接影響駐車功能的使用，因此對駐車制動系統(tǒng)的拉索支架性能的研究與分析具有重要意義。

隨著軟硬件的不斷發(fā)展和完善，有限元數(shù)值仿真分析幾乎應用到所有的科學領(lǐng)域，成為一種實用高效的數(shù)值分析方法^[3]。本文通過有限元軟件，運用數(shù)值模擬仿真分析方法，結(jié)合駐車拉索支架的最大應力風險區(qū)域提出優(yōu)化改進方案，并對支架的不同方案進行模態(tài)與強度仿真分析，從而提高拉索支架的可靠性。

2 模型的建立

2.1 CAD模型的建立

大型CATIA軟件是行業(yè)通用且具有強大的零部件設(shè)計功能模塊，本文通過CATIA三維設(shè)計軟件對駐車拉索支架進行設(shè)計建模工作，在滿足裝配及布置邊界的情況下，對拉索支架進行參數(shù)化設(shè)計，其CAD模型如圖1所示，其通過兩個直徑為Ф8mm的孔安裝于車身中央通道的位置區(qū)域，駐車拉絲穿過圓柱形內(nèi)孔進行裝配。支架所使用的材料參數(shù)：彈性模量為7.0E4MPa，泊松比為0.3，密度為2.7e-9 T/mm。

2.2 有限元模型的建立

由于HyperMesh是一款行業(yè)通用的有限元前處理軟件，能方便地對模型進行清理并快速創(chuàng)建網(wǎng)格模型，極大地提高了有限元仿真分析中的網(wǎng)格前處理效率^[4]，本文使用HyperMesh軟件對CAD模型進行網(wǎng)格劃分。采用1mm網(wǎng)格尺寸及三角形單元對外表面進行網(wǎng)格劃分，將所有三角形面網(wǎng)格形成封閉腔，然后采用四面體單元進行實體網(wǎng)格劃分，最終總的節(jié)點數(shù)為10422，單元數(shù)為41030。網(wǎng)格模型如圖2所示。

在完成網(wǎng)格劃分后，需對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，并將材料參數(shù)賦予支架網(wǎng)格單元所在的 Component，因此需要建立單元屬性，設(shè)定相應的材料參數(shù)，包括楊氏模量、泊松比、密度。

對于安裝在車身上的支架需考慮支架是否會產(chǎn)生共振，需對支架模態(tài)進行仿真分析。因此在建立模態(tài)分析模型時，約束駐車拉索支架的兩個安裝孔的6個方向的自由度，分析方法選擇NASTRAN軟件中的SOL 103模態(tài)分析。

對于支架的強度仿真分析，同樣需對模型進行邊界條件的約束及載荷的施加。約束拉索支架兩個固定安裝點的所有自由度DOF 1～6，同時用RBE2剛性單元連接拉索安裝孔的節(jié)點，并在此RBE2單元的中心點施加載荷，施加的載荷大小為850N，并設(shè)置模型計算結(jié)果的輸出類型如Stress應力結(jié)果，將模型導出.bdf文件，提交到NASTRAN軟件求解器進行求解計算。

3 仿真結(jié)果分析

由于Altair HyperWorks軟件平臺中有專門進行后處理的HyperView軟件模塊，其具有強度的后處理功能，不僅能輸出各種結(jié)果云圖，還能輸出不同的結(jié)果曲線，本文支架的分析將運用HyperView模塊進行分析結(jié)果的后處理工作。將搭建好的CAE有限元模型導出后輟為.bdf的格式文件，并將此.bdf文件提交Nastran進行計算，求解器計算完成后會輸出后輟為.op2文件。使用HyperView后處理軟件讀取.op2文件，查看各分析工況下的分析結(jié)果。

3.1 模態(tài)分析結(jié)果

將模態(tài)分析結(jié)果文件導入HyperView后，查看模態(tài)振型及頻率，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出模態(tài)的振型為基于安裝平面向下的擺動，模態(tài)頻率為2513Hz。從模態(tài)頻率值可知，此支架結(jié)構(gòu)剛度較大，模態(tài)頻率較高，不會與安裝連接的車身產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3.2 強度分析結(jié)果

將強度結(jié)果文件導入到HyperView中讀取支架的應力分析結(jié)果，如圖4所示，從圖中可以看出：駐車拉索支架最大應力為109.7MPa，位于支架安裝平面與凸臺圓角處。基于拉索支架本身材料特性及實際經(jīng)常使用駐車功能，拉索支架最大應力應小于100MPa，計算結(jié)果的應力大于此值，不滿足要求，需對拉索支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進設(shè)計，尋求最優(yōu)方案，以便滿足設(shè)計要求。

4 設(shè)計優(yōu)化與仿真分析

通過上述有限元仿真分析，對駐車拉索支架強度結(jié)果最大應力風險位置進行分析，需對支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，主要優(yōu)化位置為支架的凸臺特征及安裝面與拉索圓柱連接區(qū)域。優(yōu)化后的支架新方案CAD數(shù)據(jù)如圖5所示。對其重新進行網(wǎng)格劃分，并更新分析模型邊界與載荷鏈接，將優(yōu)化方案的CAE有限元模型提交計算，重新對模態(tài)及強度性能進行仿真分析。

讀取NASTRAN計算得到的優(yōu)化方案的模態(tài)分析結(jié)果文件，模態(tài)結(jié)果如圖6所示，可以看出支架的模態(tài)振型為基于安裝平面向上的擺動，模態(tài)頻率為4105Hz。從頻率數(shù)值可以看出此支架結(jié)構(gòu)剛度較大，模態(tài)頻率較高，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

將強度分析的結(jié)果文件導入后處理軟件查看駐車拉索支架優(yōu)化方案的強度應力結(jié)果，如圖7所示，從結(jié)果可以看出：拉索支架的最大應力為81.4MPa，位于支架安裝平面圓角與凸臺圓角相交區(qū)域，滿足小于100 MPa的要求，此方案滿足強度性能要求。

5 結(jié)論

綜上所述，通過數(shù)值模擬分析方法，對駐車拉索支架的模態(tài)及強度進行了仿真分析，很好地識別了零件風險，并對拉索支架提出了改進優(yōu)化方案。對優(yōu)化方案重新進行數(shù)值模擬分析，其應力水平相對于原方案有較大幅度降低，滿足了支架的強度性能要求。同時從支架的模態(tài)分析的頻率結(jié)果可知，此支架的結(jié)構(gòu)剛度較大，模態(tài)頻率較高，不會與安裝連接的車身產(chǎn)生共振。通過對駐車拉索支架的模態(tài)及強度分析與優(yōu)化，有效支持了支架零件的優(yōu)化設(shè)計，為工程方案最終凍結(jié)提供了重要依據(jù)和指導作用。

參考文獻

[1] 冼劍.基于有限元駐車拉索支架剛度優(yōu)化[J].企業(yè)科技與發(fā)展， 2018（3）：72-74.

[2] 張文春.汽車理論-2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009（12）：126.

[3] 李海峰，吳冀川，劉建波等.有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標[J].中國機械工，2012（2）：368-377.

[4] 韓彥瀟，李青章，徐順等.基于Altair.HyperWorks的選換擋支架靜強度與模態(tài)分析[J].汽車實用技術(shù)，2017（4）：127-130.