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