多工況下汽車發(fā)動機(jī)支架靜動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

朱劍峰　許智勇　蔡夢堯　王煥星　王水瑩（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

多工況下汽車發(fā)動機(jī)支架靜動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

朱劍峰許智勇蔡夢堯王煥星王水瑩
（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

為實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)件輕量化優(yōu)化設(shè)計，將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)引入到發(fā)動機(jī)支架設(shè)計中，并采用多工況下靜動態(tài)聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，同時給出拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果解讀思路和方法。通過優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)支架在結(jié)構(gòu)耐久、模態(tài)和強度均滿足設(shè)計要求的同時實現(xiàn)輕量化，表明拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計中的有效性和可靠性。

主題詞：發(fā)動機(jī)支架多工況拓?fù)鋬?yōu)化

1 前言

自提出變密度法以來［1］，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到迅速發(fā)展及應(yīng)用，汽車行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的主要在底盤結(jié)構(gòu)件、動力總成零件以及車身結(jié)構(gòu)方面。

呂兆平等［2］應(yīng)用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法對動力總成懸置支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析，根據(jù)優(yōu)化后的材料分布得到了改進(jìn)后的懸置支架，在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的同時達(dá)到了輕量化的目標(biāo)。潘孝勇等［3］采用連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對變速器懸置支架路試失效問題進(jìn)行了分析研究，并給出了支架模型的優(yōu)化設(shè)計方案，優(yōu)化后的支架最終通過了臺架疲勞試驗驗證。祝小元等［4］采用多目標(biāo)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法對汽車控制臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得到了結(jié)構(gòu)剛度最大和1階模態(tài)頻率最大化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

本文首先對發(fā)動機(jī)支架可用設(shè)計空間進(jìn)行提取，采用多工況靜動態(tài)聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，并考慮不同的一致性約束方式，通過對拓?fù)鋬?yōu)化后的支架材料分布形式進(jìn)行解讀，設(shè)計出零件結(jié)構(gòu)形式，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析計算。

2 發(fā)動機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化模型建立

2.1 優(yōu)化設(shè)計空間定義

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的基本原理是在一個給定的空間里面尋求材料的最佳分布，理論上存在一個唯一的最優(yōu)解，但為了滿足工藝及制造要求，會在優(yōu)化時設(shè)置不同的控制方法，使得最終的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果能更有效地指導(dǎo)設(shè)計。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化前需定義零件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間，一般需遵循以下原則：

a.最大程度地充滿可用設(shè)計空間；

b.保證周圍零件的靜動態(tài)間隙；

c.倒角或圓弧特征能擴(kuò)大拓?fù)鋬?yōu)化空間的應(yīng)保留（一般為內(nèi)倒角等）；

d.拓?fù)鋬?yōu)化塊體也應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)工藝、連接特征完整、裝配及可制造性要求；

e.按具體設(shè)計要求可將設(shè)計區(qū)域分割為優(yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域，優(yōu)化區(qū)域可以由多個子優(yōu)化區(qū)域組成以利于最終的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果具有更佳的可設(shè)計性（限于篇幅，本文采用單一優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行介紹）。

根據(jù)以上原則給出發(fā)動機(jī)支架的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化空間如圖1所示。

圖1　發(fā)動機(jī)支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化空間示意

2.2 懸置系統(tǒng)使用工況

為了研究動力總成懸置系統(tǒng)的受力情況，需要建立力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，動力總成懸置系統(tǒng)為多自由度振動系統(tǒng)，利用Motion View建立車輛動力總成系統(tǒng)動力學(xué)模型，同時綜合考慮變速器懸置、前懸置、后懸置、發(fā)動機(jī)懸置橡膠襯套的剛度曲線，以及動力總成質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、變速器速比、發(fā)動機(jī)功率以及轉(zhuǎn)速等因素，最后通過ADAMS求解器求解多體動力學(xué)模型并輸出動力總成在各懸置彈性中心點的載荷。

影響動力總成懸置系統(tǒng)載荷的關(guān)鍵因素有：

a.動力總成質(zhì)心位置以及轉(zhuǎn)動慣量；

b.懸置橡膠襯套的剛度、阻尼；

c.發(fā)動機(jī)、變速器的空間位置布置形式；d.發(fā)動機(jī)輸出扭矩大小及變速器速比。

為考慮動力總成系統(tǒng)在多種工作狀況下對懸置結(jié)構(gòu)性能的影響，本文采用動力總成懸置系統(tǒng)載荷計算方法［5］（其中包括了一般使用工況和濫用工況），該方法能最大程度囊括國內(nèi)大部分客戶的實際使用情況，各種工況下的發(fā)動機(jī)支架受力大小如表1所列，其中x正向為由車頭向后，y正向為駕駛員位置指向右側(cè)，z正向為垂直向上。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化模型建立

在定義了拓?fù)鋬?yōu)化空間和載荷后，就可以建立發(fā)動機(jī)支架的拓?fù)鋬?yōu)化模型，整個支架的拓?fù)鋬?yōu)化模型離散為105 766個節(jié)點和574 139四面體網(wǎng)格單元，包括優(yōu)化設(shè)計區(qū)域及非優(yōu)化設(shè)計區(qū)域，如圖2所示，表1中的載荷施加在懸置的彈性中心點。

該支架采用鑄鋁AlSi9Cu3進(jìn)行高壓鑄造，彈性模量E為72.5GPa，泊松比μ為0.33，密度ρ為2.7×103kg/m3，屈服極限Ys為160MPa，抗拉強度UTS為270MPa。

表1　發(fā)動機(jī)支架載荷N

圖2　發(fā)動機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化模型

由于該發(fā)動機(jī)支架有結(jié)構(gòu)強度及結(jié)構(gòu)模態(tài)設(shè)計要求，因此可以考慮對其進(jìn)行靜動態(tài)聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化分析，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［6］為：

式中，xi為支架拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元密度值（0≤xi≤1）；ci為每一載荷工況下的柔度值；wi為其各工況下的加權(quán)；λj為結(jié)構(gòu)模態(tài)特征值；wj為其各特征值的加權(quán)；f為體積比值；v0為優(yōu)化區(qū)域體積；NORM為結(jié)構(gòu)柔度和動態(tài)頻率值的歸一化系數(shù)，該值可以根據(jù)靜動態(tài)優(yōu)化值進(jìn)行自動調(diào)整。

3 拓?fù)鋬?yōu)化分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗，一般會采用單向一致性約束來控制拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，但往往效果并不一定最佳。圖3為y軸一致性約束下支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化后的材料分布。

圖3　發(fā)動機(jī)支架y軸一致性約束下拓?fù)鋬?yōu)化材料分布

可以采用雙向一致性約束和無工藝一致性約束來指導(dǎo)最終零件設(shè)計狀態(tài)以提高零件的可設(shè)計性和結(jié)構(gòu)性能。雙向一致性約束下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖4所示。無工藝一致性約束下的結(jié)果即理論上最優(yōu)材料分布結(jié)果如圖5所示。

圖4　雙向一致性約束下的發(fā)動機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化材料分布

由圖4和圖5可以看出，雙向一致性約束下的拓?fù)鋬?yōu)化材料分布接近于理論上的最優(yōu)解且具有很好的可設(shè)計性，可以綜合圖4和圖5進(jìn)行后續(xù)零件設(shè)計。

3.2 優(yōu)化結(jié)果解讀及建議

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果往往十分復(fù)雜且呈多樣性，建議按照以下原則進(jìn)行結(jié)果解讀：

a.螺栓連接區(qū)域附近材料應(yīng)填充完整以保證連接強度；

b.材料堆積超過工藝要求的需適當(dāng)挖空；

c.零件設(shè)計應(yīng)包絡(luò)優(yōu)化后的材料分布空間；

d.優(yōu)化后有明顯加強筋特征的應(yīng)完整保留到后續(xù)詳細(xì)設(shè)計中去；

e.借鑒其它車型支架設(shè)計經(jīng)驗有助于從結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果中提取有用特征。

圖5　無工藝一致性約束下的發(fā)動機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化材料分布

3.3 發(fā)動機(jī)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上文的支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果和解讀原則進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計，相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　發(fā)動機(jī)支架詳細(xì)設(shè)計模型示意

從圖6中可以看出，發(fā)動機(jī)支架模型基本滿足結(jié)果解讀中的原則，其材料分布均勻且特征合理，具有很好的制造工藝性，質(zhì)量為1.3 kg。

4 結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 結(jié)構(gòu)耐久性分析

發(fā)動機(jī)支架詳細(xì)設(shè)計后需進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析以驗證拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的可靠性，其耐久性能主要通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力來評判，動力總成懸置系統(tǒng)載荷分為常用工況和極限工況，發(fā)動機(jī)支架在28工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最惡劣工況為第19工況，該工況為極限工況，其相應(yīng)的應(yīng)力分布如圖7和圖8所示。所有工況應(yīng)力計算結(jié)果如表2所列。

從圖7和圖8中可以看出，極限工況下的風(fēng)險位置均出現(xiàn)在支架連接區(qū)域，而沒有出現(xiàn)在本體即原優(yōu)化區(qū)域內(nèi)，說明經(jīng)過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力成功轉(zhuǎn)移到優(yōu)化區(qū)域外即支架連接處，且支架的最大應(yīng)力值滿足設(shè)計要求（不同工況應(yīng)力評價值不一樣，且等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力評價指標(biāo)也不一樣［3，5］）。

4.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)

發(fā)動機(jī)支架前4階模態(tài)值如表3所列。可知，其1階頻率為852 Hz，避開了發(fā)動機(jī)最大激勵頻率值，滿足設(shè)計要求，其相應(yīng)振型如圖9所示。

圖7　發(fā)動機(jī)支架等效應(yīng)力分布云圖

圖8　發(fā)動機(jī)支架最大主應(yīng)力分布云圖

表2　發(fā)動機(jī)支架表面應(yīng)力值MPa

表3　發(fā)動機(jī)支架前4階模態(tài)頻率及振型

圖9　發(fā)動機(jī)支架1階模態(tài)振型

5 結(jié)束語

a.采用多工況靜動態(tài)聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化方法對發(fā)動機(jī)支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化概念設(shè)計，經(jīng)過對拓?fù)鋬?yōu)化后設(shè)計的支架結(jié)構(gòu)性能分析發(fā)現(xiàn)，該支架在滿足結(jié)構(gòu)性能的同時實現(xiàn)了輕量化設(shè)計；

b.采用不同的拓?fù)鋬?yōu)化約束方式，可以提高拓?fù)鋬?yōu)化后的材料分布合理性；

c.多工況靜動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化方法能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐久性和NVH性能最佳化。

1 Mlejnek H P，Schirrmacher R.An engineer’s approach to optimalmaterial distribution and shape finding.Computer Methods in Applied Mechanics&Engineering，1993，106（1-2）：l～26.

2呂兆平，閆劍濤，李宏康，等.基于有限元技術(shù)的動力總成懸置支架拓?fù)鋬?yōu)化的研究.汽車工程，2009，31（4）：321～325.

3潘孝勇，柴國鐘，劉飛，等.懸置支架的優(yōu)化設(shè)計與疲勞壽命分析.汽車工程，2007，29（4）：341～345.

4祝小元，方宗德，申閃閃，等.汽車懸架控制臂的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化.汽車工程，2011，33（2）：138～141.

5郭榮，章桐.汽車動力總成懸置系統(tǒng).上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2013.

6 Hyperworks/Optistruct user’s manual.Altair Engineering，2013.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年4月1日。

Static-dynam ic Combined Topology Optim ization of Vehicle Engine Bracket under M ultip le Driving Conditions

Zhu Jianfeng，Xu Zhiyong，CaiMengyao，Wang Huanxing，Wang Shuiying
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai201201）

【Abstract】In order to achieve vehicle structure lightweight design，topology optimization technique is introduced in the design of engine bracket；besides，static-dynamic combined topology optimization technique is applied in multiple driving conditions for topological optimization analysis，meanwhile，thoughts and methods to interpret the topology optimization results are given.The optimized lightweight engine bracket meets the design requirement in structural durability，modal and strength，indicating that the topology optimization technique is proved valid and feasible in vehicle structure lightweight design.

Engine bracket，M ultiple driving conditions，Topology optim ization

U463

A

1000-3703（2016）08-0006-04