基于ANSYS的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦洪艷

（三江學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京210012）

0 引言

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)銜接動(dòng)力總成和汽車(chē)的車(chē)身，主要作用是支撐動(dòng)力總成、減少動(dòng)力總成振動(dòng)對(duì)整車(chē)的影響、限制動(dòng)力總成的抖動(dòng)量，對(duì)整車(chē)NVH性能起著非常大的作用。合理設(shè)計(jì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的參數(shù)，既能降低車(chē)輛的噪聲與振動(dòng)，改善車(chē)輛行駛的平順性，又能保證動(dòng)力總成的耐久性與可靠性，避免動(dòng)力總成零部件的過(guò)早損壞。因此，在現(xiàn)代汽車(chē)的設(shè)計(jì)中，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

本文借助商用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)非線性材料的發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置系統(tǒng)進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)改變橡膠懸置的外形尺寸來(lái)滿足三向剛度的設(shè)計(jì)要求，適用于懸置安裝空間可變化的情況。

1 問(wèn)題描述

圖1 車(chē)用橡膠懸置減振塊示意圖

某型載貨汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置如圖1（a）所示，表1為其各方向的動(dòng)剛度，橡膠材料的邵氏硬度為A60，動(dòng)態(tài)剛度與靜態(tài)剛度的比值為1.35，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，橡膠懸置的壓縮量不超過(guò)5%，通過(guò)有限元分析，確定滿足剛度要求的橡膠懸置的尺寸，要求懸置靜剛度誤差控制在10%以內(nèi)。

表1 懸置動(dòng)剛度N/mm

2 借助ANSYS軟件進(jìn)行橡膠懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

此橡膠懸置可以簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體橡膠塊如圖1（b）所示，首先求懸置的靜剛度。

X方向的靜剛度Ksx=Kdx/1.35=490÷1.35=363 N/mm；

Y方向的靜剛度Ksy=Kdy/1.35=100÷1.35=74 N/mm；

Z方向的靜剛度Ksz=Kdz/1.35=80÷1.35=59 N/mm。

借助ANSYS對(duì)該橡膠懸置進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)：

設(shè)計(jì)變量：長(zhǎng) L（40 mm≤L≤80 mm），寬 B（30 mm≤B≤60 mm），高 H（30 mm≤H≤70 mm），設(shè)計(jì)變量的上下限由懸置的安裝空間確定；

狀態(tài)變量：Y方向剪切剛度Ky（71N/mm≤Ky≤77N/mm），Z方向剪切剛度Kz（56 N/mm≤Kz≤62 N/mm），狀態(tài)變量的上下限由剪切剛度的誤差計(jì)算得到。

目標(biāo)函數(shù)：X方向的最大位移DEFL。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，懸置的壓縮量在5%以內(nèi)，因此在分析文件中用線性近似代替橡膠的非線性，將整個(gè)壓縮過(guò)程的材料彈性模量視為常數(shù)。在懸置上施加的載荷為（363×h×0.05）N，如果X方向的最大位移為0.05h，則表示橡膠塊X方向的剛度為363 N。所以目標(biāo)函數(shù)定義為X方向的最大位移，考慮到ANSYS優(yōu)化方向是使目標(biāo)函數(shù)盡可能小，所以分析文件中定義的目標(biāo)函數(shù)是X方向的最大位移同0.05h之間的差值。

ANSYS求解的命令流代碼如下：

以上代碼為文本文件yh.TXT的內(nèi)容，選擇Utility Menu>File>Red Input From命令，通過(guò)Read File對(duì)話框讀入文本文件，ANSYS開(kāi)始運(yùn)行此優(yōu)化過(guò)程。選用的優(yōu)化方法是零階方法，最大迭代次數(shù)是20次。優(yōu)化結(jié)束后在命令輸入框中輸入/OPLIST，ALL可以查看優(yōu)化結(jié)果。圖2是優(yōu)化的部分設(shè)計(jì)序列。

圖2 優(yōu)化結(jié)果

如圖2所示，其中左右?guī)?的SET17是最優(yōu)解，此時(shí)

Ky=76.86 N/mm，誤差為（76.86÷74-1）×100%=3.8%；

Kz=61.86 N/mm，誤差為（61.86÷59-1）×100%=4.8%；

Kx的誤差為［（0.05H+0.09）/（0.05H）-1］×100%=3.3%。

以上誤差均滿足要求，取B=41 mm，L=67 mm，H=52 mm，即矩形橡膠懸置的長(zhǎng)、寬、高分別為67 mm、41 mm、52 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了利用ANSYS軟件進(jìn)行尺寸優(yōu)化的方法步驟，并對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的前懸置進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，給出了具體的命令流。

當(dāng)懸置的安裝空間沒(méi)有要求時(shí)，可用通過(guò)對(duì)懸置外形尺寸（如長(zhǎng)、寬、高）的設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)滿足三向剛度的要求。但是，當(dāng)懸置的安置空間已經(jīng)確定，就不能采用改變其外形尺寸的方法來(lái)滿足剛度的要求。這種情況下，可以對(duì)橡膠懸置進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過(guò)在其內(nèi)部設(shè)計(jì)孔洞改變不同方向的剛度，從而使整體滿足三向剛度的要求。

［1］ 劉旭.新型橡膠隔振支承的設(shè)計(jì)探討［J］.機(jī)械，1996（6）.

［2］ 鄭明軍，謝基龍.壓縮狀態(tài)下橡膠件大變形有限元分析［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（1）：76-79.

［3］ 秦洪艷.基于ANSYS的發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置的拓?fù)鋬?yōu)化［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011（6）：154-156.