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基于有限元技術(shù)的發(fā)動機(jī)懸置支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究

2019-08-01 00:12:21·  來源：汽車NVH云講堂  作者：呂兆平  
　
摘要：通過建立懸置系統(tǒng)的動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真并獲得載荷數(shù)據(jù)。進(jìn)而應(yīng)用有限元方法對發(fā)動機(jī)懸置支架進(jìn)行分析；根據(jù)分析結(jié)果，使用連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)
摘 要：

通過建立懸置系統(tǒng)的動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真并獲得載荷數(shù)據(jù)。

進(jìn)而應(yīng)用有限元方法對發(fā)動機(jī)懸置支架進(jìn)行分析；

根據(jù)分析結(jié)果，使用連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對支架模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；

減輕了懸置支架的質(zhì)量，指出了拓?fù)鋬?yōu)化在輕量化設(shè)計(jì)中的重要意義。

關(guān)鍵詞：懸置支架 運(yùn)動學(xué)仿真 有限元分析拓?fù)鋬?yōu)化輕量化

前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展及日益突出的能源問題，對汽車設(shè)計(jì)提出的新要求是降低其制造成本及提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性，通過對零部件和整車進(jìn)行材料優(yōu)化配置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在不影響其強(qiáng)度和性能的基礎(chǔ)上達(dá)到產(chǎn)品的輕量化，以期實(shí)現(xiàn)降低制造成本和節(jié)能的目標(biāo)。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是一項(xiàng)新興的設(shè)計(jì)方法,它可以在方案設(shè)計(jì)階段給出零部件甚至車身原型合理的材料布局,減輕結(jié)構(gòu)重量. 通過這項(xiàng)技術(shù),企業(yè)能縮短設(shè)計(jì)周期,提高產(chǎn)品性能,減少昂貴的樣件生產(chǎn)和整車測試的次數(shù)。目前，均勻化法、變厚度法、變密度法等方法對于處理平面問題的拓?fù)鋬?yōu)化已日趨成熟。

變密度法的基本思想是引入一種假想的密度可變材料，對結(jié)構(gòu)中每個(gè)有限單元賦予內(nèi)部偽密度（pseudo-density）,然后通過內(nèi)部偽密度來確定目標(biāo)函數(shù)。設(shè)單元密度為0到1之間的某一值，如某些單元所受應(yīng)力較小，可相應(yīng)減小密度；如某些單元是關(guān)鍵單元，則可相應(yīng)增加密度。最后根據(jù)單元密度，通過設(shè)定門檻值來調(diào)整材料的分配。當(dāng)某處單元的相對密度為1，則表示該單元為有材料，應(yīng)保留或增加該單元（實(shí)體），如果相對密度為0，表示該處單元無材料，單元可以刪除。這樣，優(yōu)化時(shí)就以材料密度為設(shè)計(jì)變量，使結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)換為材料的最優(yōu)分布問題[1] [2]。

變速器懸置支架（見圖1）是動力總成懸置系統(tǒng)中的安全件和功能件，它的作用是支撐懸置、連接變速器以及傳遞作用在動力總成上的一切力和力矩，另外，懸置支架的一階固有頻率對車內(nèi)噪聲的影響很大，因此，在動力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對支架的強(qiáng)度和固有頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。本文使用了Hypermesh及其Optistruct模塊，對變速器懸置支架進(jìn)行了前處理和拓?fù)鋬?yōu)化，并對優(yōu)化前后的懸置支架在各載荷工況下所受應(yīng)力和前三階的約束模態(tài)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性和可靠性。各工況的載荷數(shù)據(jù)通過ADAMS軟件建立懸置系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型進(jìn)行仿真分析來獲得。

圖1 懸置支架在動力總成中的位置

1 懸置系統(tǒng)動力學(xué)仿真

1.1 動力學(xué)仿真模型建立

Lagrange乘子方法是多體系統(tǒng)動力學(xué)建模中經(jīng)常使用的方法，根據(jù)所研究的動力總成懸置系統(tǒng)特點(diǎn)，懸置每個(gè)剛體質(zhì)心的笛卡兒坐標(biāo)作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)。

根據(jù)拉格朗日法建立運(yùn)動方程[3][4],即
  

式中T ———系統(tǒng)振動時(shí)的動能

U ———系統(tǒng)振動時(shí)的勢能

D ———系統(tǒng)振動時(shí)產(chǎn)生耗散能

Fi ———發(fā)動機(jī)的激振力

可建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程。動力總成懸置系統(tǒng)的動力學(xué)方程表示為：
 

其中：為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，為系統(tǒng)阻尼矩陣，為系統(tǒng)剛度矩陣，為激振力。

不考慮阻尼和外力作用，可得到系統(tǒng)的自由振動的微分方程，也即系統(tǒng)六自由度固有特性的分析方程：

 
基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論，利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS/VIEW及振動模塊，建立該轎車的懸置系統(tǒng)模型，為了計(jì)算和優(yōu)化的效率，模型已做簡化。如圖2所示系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、變速器和四個(gè)懸置組成。發(fā)動機(jī)/變速器的慣性特性參數(shù)由三線擺測得，懸置的安裝位置、安裝角度通過整車總布置數(shù)模讀取。懸置的動靜態(tài)特性通過彈性動態(tài)測試臺獲得。根據(jù)動力總成中零部件間的相對運(yùn)動關(guān)系，將沒有相對運(yùn)動

圖2 多體動力學(xué)模型

關(guān)系的發(fā)動機(jī)和變速器組合為一體。輸入零部件慣性特性參數(shù)、懸置的阻尼特性、剛度特性、懸置的安裝角度和安裝位置。在ADAMS環(huán)境中把表1、2和表3的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行懸置系統(tǒng)的動力學(xué)仿真。

表1 動力總成慣性特性參數(shù)

表2 懸置的安裝位置

表3 懸置件的主軸剛度

1.2 仿真結(jié)果及載荷輸出

根據(jù)動力學(xué)仿真分析的結(jié)果，在載荷的作用點(diǎn)設(shè)置坐標(biāo)標(biāo)記以獲得作用點(diǎn)的載荷值。在仿真中對懸置系統(tǒng)的28中工況進(jìn)行了分析。得到變速器懸置支架各工況（通用汽車公司規(guī)定的28種工況）的載荷數(shù)據(jù)如表4。

圖3 原支架

表4 變速器懸置支架在各種工況下的載荷數(shù)據(jù)

2 懸置支架有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 懸置支架的概念設(shè)計(jì)及有限元建模

變速器懸置支架原設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)（見圖3），幾何模型由球墨鑄鐵直接鑄造成型。該支架主要承受來自發(fā)動機(jī)的垂直載荷。此外，在車輛的行駛過程中還承受由于前撞、后撞和轉(zhuǎn)矩工況等引起的前后方向載荷。本文將對此支架在行駛過程中受到的28種不同工況進(jìn)行應(yīng)力和模態(tài)分析，確保其所有工況條件下所受應(yīng)力不大于200MPa,一階模態(tài)大于600HZ。

變速器懸置支架的有限元模型及邊界條件見圖3，有限元模型采用線性四面體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為19968，單元數(shù)為11039。楊氏模量、泊松比、和材料的密度分別為：E=1.70GPa、μ=0.3、ρ=7.35g/cm3 。

與變速器連接的三個(gè)孔采用固定約束。加載點(diǎn)與零件之間使用剛性單元（REB2）連接，以模擬懸置安裝的真實(shí)位置，載荷點(diǎn)為發(fā)動機(jī)懸置硬點(diǎn)位置，載荷見表4。

2.2懸置支架概念模型預(yù)分析。

對變速器懸置支架進(jìn)行有限元計(jì)算，初步了解懸置支架的應(yīng)力、變形的分布特點(diǎn)。得到各種工況下支架的所受應(yīng)力情況如表5。由計(jì)算結(jié)果可以得知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在4g向上3g向右工況，該工況的應(yīng)力分布云圖見圖4。從云圖上看，大部分區(qū)域所受的應(yīng)力很?。ㄉ詈谏珔^(qū)域），可以通過改變懸置支架的結(jié)構(gòu)，提高支架的應(yīng)力水平，使材料的利用率得到提高，同時(shí)降低變速器懸置支架的質(zhì)量。

圖4 變速器懸置支架預(yù)分析應(yīng)力分布云圖

2.3 懸置支架概念模型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化過程

一般情況下，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化前，首先要根據(jù)要求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定義結(jié)構(gòu)的初始區(qū)域，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)所要滿足的功能選擇合適的目標(biāo)函數(shù)。目前結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)一般是結(jié)構(gòu)的變形能、模態(tài)頻率和由兩者共同組成的多目標(biāo)函數(shù)。
按照以上建立的拓?fù)鋬?yōu)化模型，在有限元Hyperworks軟件的Hypermesh中以結(jié)構(gòu)的變形能最小為目標(biāo)函數(shù)，材料體積約束為30%，以優(yōu)化區(qū)域中每個(gè)單元的偽密度為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。變速器懸置支架拓?fù)鋬?yōu)化過程見圖5。

圖5 變速器懸置支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)過程圖

3 懸置支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

3.1力學(xué)指標(biāo)分析

為了對優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面的比較，需對各種工況條件下的應(yīng)力和模態(tài)進(jìn)行對比。對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重新生成的CAD模型重新劃分有限元模型見圖6。與變速器連接的三個(gè)孔采用全約束。加載點(diǎn)與零件之間使用剛性單元（REB2）連接，以模擬懸置安裝的真實(shí)位置，載荷點(diǎn)為發(fā)動機(jī)懸置硬點(diǎn)位置，載荷見表4.

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化后的變速器懸置支架有限元模型

對拓?fù)鋬?yōu)化后變速器懸置支架進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到各工況下的最大應(yīng)力，并與原方案的應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)原來應(yīng)力大的工況最大應(yīng)力有所下降，而原來最大應(yīng)力小的工況，所受最大應(yīng)力有所提高，使得應(yīng)力的分布更趨合理，如表5所示。同時(shí)對前三階模態(tài)的頻率進(jìn)行了比較（見表6），拓?fù)鋬?yōu)化后的支架第一和第二階模態(tài)頻率雖然稍有降低，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于600HZ，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

表5原方案與優(yōu)化方案應(yīng)力分析結(jié)果比較

表6原方案與優(yōu)化方案模態(tài)分析結(jié)果比較

3.2 輕量化指標(biāo)分析

對拓?fù)鋬?yōu)化前后的質(zhì)量進(jìn)行比較，原方案零件質(zhì)量為1.396kg，優(yōu)化方案零件質(zhì)量為1.27kg，重量降低率為9.4%?？梢娡?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)輕量化的效果是很明顯的。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果見圖7。

圖7 變速器懸置支架輕量化對比圖

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的方案進(jìn)行了零件的制造和海南試驗(yàn)場38000公里的整車耐久性試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)試驗(yàn)故障，證明了上述優(yōu)化方案的可靠性。

4 結(jié)論

在懸置系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了變速器懸置支架所受應(yīng)力和模態(tài)頻率的預(yù)分析。結(jié)合預(yù)分析的實(shí)際情況，采用變密度法對零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，通過拓?fù)鋬?yōu)化前后的應(yīng)力分布及模態(tài)頻率情況的對比。說明了拓?fù)鋬?yōu)化對于變速器懸置的輕量化和力學(xué)性能的改善有著顯著的效果。本文建立的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路也可用于汽車上其他零部件的設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)這一新興優(yōu)化設(shè)計(jì)方法非常適合于汽車工業(yè)中車身整體和單個(gè)零件的設(shè)計(jì). 盡管有一些困難,但世界范圍內(nèi)的汽車業(yè)已有大量成功應(yīng)用的案例,專門的拓?fù)鋬?yōu)化軟件現(xiàn)也已相對成熟. 目前國內(nèi)汽車工業(yè)的相關(guān)研究和應(yīng)用還不多,因此需要加強(qiáng)這一方面的研究工作,推廣拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的使用,從而促進(jìn)汽車設(shè)計(jì)水平與國際接軌。
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