0 前言

    發(fā)動機懸置支架連接懸置和發(fā)動機，有模態(tài)和強度要求。由于發(fā)動機懸置系統(tǒng)的模態(tài)頻率在25Hz以下，與發(fā)動機（含支架）比較起來相差太大，因此通常將發(fā)動機當(dāng)作剛體。并且為了讓發(fā)動機支架不在發(fā)動機點火激勵的影響下產(chǎn)生共振，以直列四缸發(fā)動機為例，大多數(shù)設(shè)計公司都要求支架的1階模態(tài)頻率高于發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速下的4諧次頻率的20%～30%，即如果發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速為6000rpm，那么支架的1階模態(tài)頻率就要高于600Hz。支架強度要求在GMW14116標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的28種工況載荷下不發(fā)生破壞。

    對于鈑金支架零件，在鈑金型材上沖壓加強筋，在材料成本不變的前提下是提高支架結(jié)構(gòu)強度的主要手段，因此確定加強筋布置方案是鈑金支架設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，有限元技術(shù)在支架的設(shè)計中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但由于零件具體形狀、安裝位置的不同，支架上加強筋的布置也各不相同。根據(jù)有限元分析結(jié)果對加強筋布置方案進行改進大多只能憑借設(shè)計者的經(jīng)驗，得到的往往只是可行性設(shè)計而不是最優(yōu)化設(shè)計，如何借助先進的設(shè)計理念及分析工具獲取支架加強筋的最優(yōu)布局是設(shè)計者們正需要解決的問題。利用HyperWorks中的形貌優(yōu)化工具，可以按照設(shè)計的要求，優(yōu)化出支架加強筋的最佳布局，這樣不僅可以節(jié)省設(shè)計的時間，而且還能提高設(shè)計質(zhì)量。

1 載荷工況確定

    根據(jù)GMW14116標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的懸置系統(tǒng)28工況載荷數(shù)據(jù)，在此選取4個極限工況和2個典型工況作為計算的依據(jù)(見表1), 此處的載荷數(shù)據(jù)來自某車型懸置系統(tǒng)設(shè)計匹配分析報告。

表1 支架應(yīng)力計算工況

2 建立優(yōu)化模型

    根據(jù)懸置支架在整車及發(fā)動機上的設(shè)計空間，設(shè)計出支架的初始模型。初始模型的設(shè)計不考慮肋板的布置，僅根據(jù)設(shè)計空間設(shè)計出支架的初始形貌。為了便于形貌優(yōu)化的計算，必須對初始模型進行簡化，利用 HyperWorks中的midsurface工具，首先抽取支架模型的中面，然后利用autocLEANup工具進行幾何清理，得到殼體模型見圖1。

圖1 原始模型及模型中面圖

    利用HyperWorks中CONM2單元將橡膠懸置重量簡化為質(zhì)點，并在質(zhì)點上賦予415g的集中質(zhì)量，并用reb2單元連接。利用PSHELL單元對支架進行網(wǎng)格劃分，為了保證優(yōu)化的質(zhì)量，要對網(wǎng)格的密度和質(zhì)量進行控制。網(wǎng)格密度對優(yōu)化出的結(jié)果有較大的影響，網(wǎng)格質(zhì)量差會導(dǎo)致優(yōu)化問題不收斂，此時選用的網(wǎng)格大小為4mm，劃分完后得到1565個節(jié)點和1213個單元。由于支架所采用的材料為SAPH400，在CAE計算中所使用到的材料參數(shù)如表2所示。

    確定懸置支架優(yōu)化時的設(shè)計空間和非設(shè)計空間。支架作為支撐件，同時與車架主體和變速器后懸置相連，兩者給支架的設(shè)計提出了一定的約束，有明確約束的區(qū)域就定為非設(shè)計空間（藍色區(qū)域）。設(shè)計約束較為寬松的區(qū)域定為設(shè)計空間（黃色區(qū)域），加強筋板一般布置在這個區(qū)域。（見圖 2）

表2 支架材料及其固有力學(xué)性能參數(shù)

圖2 網(wǎng)格模型和設(shè)計空間

3 支架模態(tài)分析

    根據(jù)GM的最佳設(shè)計經(jīng)驗，為了避免發(fā)生共振，對于設(shè)計的支架第一階頻率有一個設(shè)計的目標(biāo)值（如600HZ）。對初始設(shè)計的支架進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計的支架一階模態(tài)為577HZ，未能達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)； 需要進行優(yōu)化分析，得到合理的加強筋布局來提高支架模態(tài)。

圖3 模態(tài)分析圖

4 形貌拓撲優(yōu)化分析

    在進行形貌優(yōu)化分析時設(shè)置合理設(shè)定參數(shù)，可以幫助提高優(yōu)化的效果，并且使優(yōu)化的結(jié)果更加具有實用性。首先是加強筋布置的方向，雙方向的加強筋布局優(yōu)化效果最好，但是加工難度大；單向的肋板布局加工方便，為了提高優(yōu)化的效果可以適當(dāng)提高肋板高度；同時根據(jù)實際情況，確定單向肋板的布局方向見圖4。 合理的肋板高度不僅可以得到較好的優(yōu)化效果而且使工藝性和實用性得到了保障；較高的肋板高度可以提高優(yōu)化效果，但是實際中受材料性能的限制，往往是加工不出的。

圖4 優(yōu)化分析結(jié)果

    查看優(yōu)化結(jié)果，如果對優(yōu)化結(jié)果不滿意，可以調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。利用OSSmooth工具可以到處優(yōu)化后的幾何模型，再導(dǎo)入專業(yè)的CAD軟件，作為參照對初始設(shè)計進行修改，得到最終的優(yōu)化設(shè)計方案見圖5。

5 優(yōu)化方案分析

    5.1 強度分析

    對懸置支架原始模型與優(yōu)化后模型 導(dǎo)入Abaqus軟件中進行同工況靜力學(xué)分析對比，以了解優(yōu)化前后模型的剛度與強度情況。得到結(jié)果如表3。

表3 優(yōu)化前后應(yīng)力對比

    由6種工況靜力學(xué)分析結(jié)果來看，優(yōu)化后模型相對原始模型應(yīng)力云圖分布更加合理，各個工況下最大應(yīng)力明顯改善。

    5.2 模態(tài)分析

    為了驗證優(yōu)化設(shè)計方案的可靠性，對優(yōu)化方案進行模態(tài)分析，一階模態(tài)已經(jīng)達到了755HZ，已經(jīng)滿足了目標(biāo)值，見圖5。而且從模型上來看加強筋的布置合理符合生產(chǎn)制造工藝的要求，零件的重量也沒有增加。

圖5 優(yōu)化后模型及其一階模態(tài)

6 結(jié)論

    本文利用hypermesh軟件對懸置支架進行了模態(tài)分析，并對利用軟件自帶的OPSTRUCT模塊對支架進行了形貌拓撲優(yōu)化設(shè)計。通過優(yōu)化前后的模態(tài)頻率情況以及靜力學(xué)分析結(jié)果的對比，說明了利用 HyperWorks提供的優(yōu)化工具，可以縮短懸置支架設(shè)計的周期，提高了零件設(shè)計質(zhì)量。本文建立的優(yōu)化設(shè)計方法和設(shè)計思路也可用于汽車上其他零部件的前期設(shè)計和改進設(shè)計。

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本文標(biāo)題：2014產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文：形貌優(yōu)化在懸置支架設(shè)計中的應(yīng)用

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