维普资讯 http://www.cqvip.com 设计・掰究 汽车科技第３期２００７年５月 囊 墨成悬置支架 赵艳青 ，刘本元 ，上官文斌・ （１．华南理工大学汽车工程学院，广州５１０６４０；２．宁波拓减震系统有限公司，宁波３１５８００） 摘要：汽车动力总成悬置支架是动力总成悬置系统的安全件和功能件．它的结构强度影响汽车的安全性．其一阶固 有频率对车内噪声有较大的影响。以某轿车动力总成悬置支架为分析对象。阐述了对悬置支架优化设计时．设计空 间与非设计空间确定、拓扑优化与形状优化的过程等。优化结构与试验结果的对比分析表明．建立的悬置支架优化 设计方法对悬置支架的设计计算分析是有效的 关键词：动力总成悬置支架；拓扑优化；形状优化；应力分析 中图分类号：Ｕ４６３．３２６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—２５５０（２００７）０３－００１０—０３ 汽车动力总成悬置支架是动力总成悬置系统的 安全件和功能件。一方面。悬置支架连接发动机与 车身（或车架、副车架），在汽车的各种行驶工况下， 传递作用在动力总成上的一切力和力矩；另一方面。 悬置支架的一阶固有频率对车内噪声的影响很大 因此，在进行动力总成的悬置系统设计时．应对支架 的强度和固有频率进行优化设计和试验验证 在对悬置支架进行设计时．常常将其设计的较 重，虽然提高了其强度，但浪费材料，并且由于设计 得不合理．可能会导致其一阶固有频率太低．在发动 机的工作转速范围内。使悬置支架产生共振．从而增 大车内噪声；相反的情况是：支架设计得较薄。在汽 车行驶或者进行试验时．造成支架断裂．严重影响汽 车的安全性。因此。悬置支架设计是动力总成悬置 系统设计的重要内容之一 本文以某轿车动力总成发动机悬置支架为例． 阐述了悬置支架设计和试验时载荷工况的确定、悬 置支架的拓扑优化与形状优化方法．并与试验结果 进行了对比分析．证明了本文所述方法的有效性。 图１原支架试验破坏情况 悬置系统中．如果仍然借用原车型的动力总成的支 架．在汽车的极限行驶工况下。原支架的应力会大于 支架材料的屈服强度。从而导致支架的疲劳破坏。 图２为原支架的几何模型及有限元模型．该支架 为铸钢件。具体材料参数如表１所示。支架与发动机的 连接面为固定约束．与悬置的连接点为加载点．作用在 支架上的计算载荷如表２所示。共有四种载荷工况。 机 面 １存在的问题 在开发某新款轿车时．新车型的动力总成与原 （ａ）几何模型 图２原支架 （ｂ）有限元模型 车型不一样，因此要对其悬置系统进行重新设计。 按照新车型悬置系统的载荷工况．对原车型动力总 表１支架材料参数 材料 杨氏模量／ 泊松比 ＭＰａ ＺＧ２７０—５００ ２．１Ｅ＋Ｏ５ Ｏ－３ 成的发动机支架进行疲劳试验时．支架出现了开裂 的现象，如图１所示。因此，在新车型的悬置系统中。 密度／ 屈服强度／ 抗拉强度 ｋｇ－ｍ。 ７ ８０ｏ ＭＰａ ２７０ ，ＭＰａ ５０ｏ 不可以借用原车型的支架。应重新进行支架的设计 为了从理论上解释原支架在新车型的动力总成悬置 系统中被破坏的原因。按照新车型的载荷工况．对原 表２悬置支架的计算载荷工况 载荷工况 ｌ ２ ３ Ｎ ：方向 ７ Ｏ２３．９ 方向 ｌ ８７４．８ －３ ６９３．１ １５３．５ －１７９．４ ｖ方向 —５６４．２ —１ ２３９．２ 一ｌ ７ｏ９ ｌ ７２１．７ 支架进行了应力分析。计算结果表明。在新车型的 收稿日期：２ｏｏ６－１１－０６ －２ ４８５．８ ３ ２ｌ７－３ －１ ８７０ ４ ・１０・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 汽车动力总成悬置支架的优化设计／赵艳青，刘本元，上官文斌 图３（ａ）至图３（ｄ）给出了在载荷工况１到工况 —。。． ／ ＿ｔ — ４的作用下．支架的引力分析结果。表３给出的是原 支架的应力分析结果。由图３计算结果可见，原支架 的应力集中现象非常明显．主要出现在支架与发动 机连接的螺栓孔附近．并且在工况１和工况２的作 Ｖ ４ ３ ３ ２ ２ １ １ ９ ４ 设计－礤究 给出的设计空间中。悬置支架与相连部件不发生干 变的区域．本支架的非设计空间为螺栓孔位置和与 ／ 涉。而非设计空间则为支架优化过程中结构保持不 传动轴的连接位置。最终确定的支架的设计空间与 非设计空间如图５所示。 化 用下．其最大应力值远远大于表１所给出的支架材 料的屈服极限。对比试验破坏图片可见，应力分析结 果与试验结果一致．表明有限元分析结果能较准确 地反映结构实际受力情况。综合应力分析结果与试 验结果．有必要对原支架结构进行重新设计。 力 ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力 Ｍａｘ－－４４０８Ｅ＋ｆｆ２ ＭａｘＩ］．４９６Ｅ，，４￥２ Ｍｉｎ＝７．３５１Ｅ－０１ Ｍｉｎ＝４９４３Ｅ－Ｏ１ （ａ）在载荷工况１的作用下 （ｂ）在载荷工况２的作用下 ｖｎｎＭ；一府力 ＶｏｎＭｉｅｅｅ应力 １．６２２Ｅ．￣．Ｏ２ 兰 （ｃ）在载荷工况３的作用下 （ｄ）在载荷工况４的作用下 图３原支架应力分析结果 表３原支架应力分析结果 原支架的最大 载荷工况 ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力，ＭＰａ 备注 １ ４４０．８ 超过支架材料的屈服强度 ２ ３４９．６ 超过支架材料的屈服强度 ３ １６２．２ 未超过支架材料的屈服强度 ４ １２２．０ 未超过支架材料的屈服强度 ２支架的优化设计 进行支架优化所用的前处理器软件为 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ。求解器为Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ和ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ。后 处理则利用Ｈｙｐｅｒｖｉｅｗ完成。 ２．１ 设计空间的确定 进行支架拓扑优化时．首先需要确定支架的设 计空间和非设计空间 图４给出的是支架在动力总 成悬置系统中的装配示意图。设计空间的确定，主要 由支架与周围相连接部件的装配关系确定．保证在 图４支架在动力总成中的位置 空间 间 图５拓扑优化模型 ２．２支架的拓扑优化 在进行拓扑优化时。用４结点的四面体单元， 分别对设计空间和非设计空间进行有限元离散 化．离散化以后的设计空间有限元模型的单元数 为１０９ ６８９。结点数为２４ ７４３，非设计空间的单元数 为１４ ２２７，结点数为４ １８０。拓扑优化的设计目标为 最小化悬置支架的柔度．约束条件为体积分数小于 Ｏ．３５。支架的材料和原支架相同。利用Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃ软件 进行拓扑优化．优化得到的支架拓扑形状如图６所 示 图６拓扑优化后支架的形状 ２．３支架的形状优化 在拓扑优化结果的基础上．由形状优化确定结 构的边界形状或者内部几何形状．以进一步提高结 构的承载能力。减少材料的冗余，提高结构的寿命。 根据拓扑优化的结果．建立支架的几何模型和有限 元模型，如图７所示。对比图７（ａ）与图２（ａ）可见，支 维普资讯 http://www.cqvip.com
