某車型懸置支架模態(tài)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

侯宇　周鶴

摘 要：懸置支架作為懸置系統(tǒng)中的重要部件，其模態(tài)性能的高低對(duì)于整個(gè)懸置系統(tǒng)很關(guān)鍵。文章基于Optistruct軟件的拓?fù)鋬?yōu)化算法得到一種懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高模態(tài)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。對(duì)懸置支架設(shè)計(jì)開發(fā)的指導(dǎo)，有非常重要的意義。關(guān)鍵詞：懸置支架;模態(tài);拓?fù)鋬?yōu)化;輕量化中圖分類號(hào)：U463.33 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）02-86-03

Abstract： As an important part of mounting system， the modal performance of mounting bracket is very important for the whole mounting system. Based on the optimization algorithm of Optistruct software， an optimal design of mounting bracket is obtained， which not only improves the modal performance， but also realizes the lightweight structure. It is very important to guide the design and development of mounting bracket.Keywords： Mount bracket; Modality; Topography optimization; LightweightCLC NO.： U463.33? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-86-03

前言

懸置支架是動(dòng)力總成與車身間的連接元件。它的模態(tài)性能對(duì)整個(gè)懸置系統(tǒng)的支承和隔振表現(xiàn)有重要影響。以往由于優(yōu)化分析在設(shè)計(jì)過程中的欠缺，導(dǎo)致懸置支架的設(shè)計(jì)存在重量偏大，性能不足的現(xiàn)象。針對(duì)此問題，本文將進(jìn)行懸置支架優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的探索。

1 懸置支架的模態(tài)分析

圖1所示為某車型懸置支架，厚度為3.0mm，材料為SAPH440，前后四個(gè)螺栓孔為安裝孔。

1.1 懸置支架的模態(tài)要求

懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中為了達(dá)到良好的隔振效果，通常會(huì)要求懸置支架的一階約束模態(tài)，頻率在500Hz以上^[1]。

1.2 懸置支架的模態(tài)分析

通過對(duì)該懸置支架進(jìn)行模態(tài)分析，得到其一階和二階模態(tài)頻率和模態(tài)振型。

由分析結(jié)果可知，其一階約束模態(tài)頻率為410Hz，不滿足500Hz的最低要求。因此，有必要針對(duì)其模態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 懸置支架的拓?fù)鋬?yōu)化

Optistruct是被全球很多企業(yè)采用的優(yōu)化軟件，擁有先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化算法。本文使用Optistruct軟件對(duì)懸置支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 優(yōu)化分析

2.1.1 定義設(shè)計(jì)區(qū)域

在開始進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前，將懸置支架的螺栓安裝孔區(qū)域定義為非設(shè)計(jì)空間，如圖4紅色區(qū)域所示，保證優(yōu)化后的結(jié)果也能正常的安裝，而將其余部分定義為設(shè)計(jì)空間。

2.1.2 優(yōu)化分析設(shè)置

使用Optistruct軟件的優(yōu)化模塊，設(shè)置模態(tài)頻率和體積分?jǐn)?shù)為優(yōu)化的響應(yīng)。同時(shí)將全局體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為優(yōu)化約束，上限為0.8。而優(yōu)化目標(biāo)是一階模態(tài)頻率最大。

2.1.3 優(yōu)化結(jié)果

設(shè)置完畢后，開始拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到如圖4所示的結(jié)果。圖5中紅色區(qū)域單元密度為1（或接近1），需要保留，而藍(lán)色區(qū)域單元密度為0（或接近0），在后續(xù)設(shè)計(jì)中可以移除。

3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化結(jié)果幾何重構(gòu)

基于拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果，對(duì)原始支架進(jìn)行有針對(duì)性的開孔和移除多余的材料。同時(shí)將邊緣部分進(jìn)行圓整。得到如下圖所示的新支架結(jié)構(gòu)。

3.2 優(yōu)化結(jié)果模態(tài)分析

對(duì)重新設(shè)計(jì)的新支架進(jìn)行模態(tài)分析，得到其一階約束模態(tài)頻率為528Hz，二階為657Hz，如圖7、8所示。

4 原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比

4.1 模態(tài)對(duì)比

優(yōu)化后的懸置支架一階模態(tài)頻率為528Hz，相比原始支架的410Hz提高了118Hz，提升比例達(dá)到了28.8%。二階模態(tài)頻率由461Hz提升到了657Hz，提升比例達(dá)到了42.5%。

4.2 重量對(duì)比

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，支架的重量由原始結(jié)構(gòu)的2.32kg降到了1.73kg，減重比例為25.4%，減重效果明顯。

4.3 強(qiáng)度對(duì)比

懸置支架材料為SAPH440，其屈服強(qiáng)度為305MPa。通過對(duì)比分析優(yōu)化前后懸置支架的強(qiáng)度，可得到如表1所示結(jié)果（6個(gè)工況均為懸置28工況中的極限工況），優(yōu)化后各工況最大應(yīng)力較原始結(jié)構(gòu)均有所增加，但均小于材料的屈服極限305MPa，最惡劣的Z+工況（垂直向下（5G）&橫向向左加載（3G））也有1.5左右的安全系數(shù)。能夠保證強(qiáng)度需求。

4.4 總結(jié)

通過各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比，可以認(rèn)為該優(yōu)化結(jié)果是有效且可靠的。

5 結(jié)論

文章利用Optistruct軟件對(duì)懸置支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并通過對(duì)優(yōu)化結(jié)果的模態(tài)分析，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性，提升性能的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。在懸置支架的設(shè)計(jì)前期有著十分積極和重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭榮，章桐.汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社.2013：83-84.

[2] 廖抒華，成傳勝.汽車懸置支架的仿真分析與尺寸優(yōu)化[J].煤礦機(jī)械，2012.

[3] 楊武森，楊玉玲，宋樹森.關(guān)于某動(dòng)力總成懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2014.