基于發(fā)動機懸置支架設計及模態(tài)、動剛度、強度分析方法

董志遠　蒙世崇

【摘 要】隨著我國汽車行業(yè)與計算機技術的發(fā)展，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于汽車零部件建模的CAE系統(tǒng)應運而生。AltairHyperMesh軟件是一種高性能有限單元前后處理器，讓工程師在平凡交互及可視化的環(huán)境下驗證各種設計條件。AltairHyperMesh可以支持直接輸入CAD幾何模型和已有的有限元模型，減少重復性的工作。它先進的后處理工具保證形象地表現(xiàn)復雜的仿真結果。文章結合CN100V車型懸置支架分析案例對模態(tài)、動剛度、強度進行介紹，為懸置支架設計問題提供借鑒與幫助。

【關鍵詞】CAE有限元分析;AltairHypermesh分析;發(fā)動機懸置支架

【中圖分類號】U464.13 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）11-0033-03

當前，中國汽車市場發(fā)展迅速與計算機應用技術的迅速發(fā)展有著密切的關聯(lián)，在車身零部件的設計與開發(fā)中，一些計算設計輔助軟件起到了非常大的作用。隨著計算機應用技術的普及，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應運而生，并已成為結構分析和結構優(yōu)化的重要工具，例如UG、CAD、AltairHypermesh等。文章結合CN100V車型的一些零部件的設計布置與分析，我們總結出了一些方式和經驗：①懸置支架設計位置布置;②模態(tài)分析方法;③動剛度分析方法與結果;④強度分析方法與結果。

1 懸置支架設計位置布置

懸置位置及數(shù)量的選擇：根據(jù)動力總成的安裝方式、用途、質量、長度和機艙空間等決定。懸置系統(tǒng)可以有三、四點懸置，大多在汽車上使用三點和四點懸置系統(tǒng)。在發(fā)動機振動過大時，如果懸置點的數(shù)量過多，當車身地盤架變形后，有的懸置點會有錯位現(xiàn)象，會對懸置支架或發(fā)動機負載過大而造車損壞。三點模式的懸置與車身地盤架的適應性最佳，因為三點模式決定了一個平面，不受車身地盤架變形的影響，并且本身頻率低，對抗扭轉振動的效果比較優(yōu)秀（如圖1所示）。懸置系統(tǒng)設計包括發(fā)動機支撐架、后橫梁、緩沖塊、懸置支架等。發(fā)動機懸置是安裝在發(fā)動機與汽車底盤之間，用于支撐動力總成和隔離減少發(fā)動機振動能量向底盤車身傳播為目的的隔振系統(tǒng)。設計合理的懸置系統(tǒng)可以明顯地降低汽車動力總成和車體振動，改善汽車的乘坐舒適型，并且還可以延長發(fā)動機與其他部件的使用壽命。設計前，我們依然根據(jù)提前得出的懸置支架邊界條件，認真地對邊界條件進行反復的研究，確定方向，對邊界條件自主設計懸置支架的任務是具有挑戰(zhàn)性的，要考慮的因素較多，零件使用3DNX.UG-10.0軟件建模設計出來后，要考慮和確認零件的制造、裝配、成型、焊接、強度、工藝性等。設計懸置的邊界條件，我們以三點式懸置布置設計舉例。對于產品而言，最重要的還是性能，但性能怎樣才能優(yōu)質？我們可以通過有限元分析各項性能指標判斷，不斷地分析、更改，循環(huán)工作，直到設計達標為止。

2 模態(tài)分析方法

下面以CN100V發(fā)動機懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）創(chuàng)建零件材料。選擇各向同性的材料卡片MAT1，彈性模量為2.1e5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.9e-9 T/mm3。

（2）創(chuàng)建零件屬性。對于殼單元，建立的屬性卡片為PSHELL，在PSHELL卡片力輸入材料的厚度。

（3）創(chuàng)建連接。對螺栓安裝孔建立reb2連接，同時建立加載點conm2單元。

（4）創(chuàng)建約束。對8個安裝空約束6個方向自由度。

（5）創(chuàng)建模態(tài)分析載荷。建立模態(tài)分析卡片eigrl，輸入需要計算的最高模態(tài)頻率。

（6）創(chuàng)建模態(tài)分析步和設置。建立模態(tài)分析步（normal modes），分別選擇約束載荷和模態(tài)提取卡片，分析類型設置：sol=103模態(tài)分析，參數(shù)設置：post=-1，輸出設置OUTPUT：DISPLACEMENT=ALL;ESE=ALL。

（7）查看結果。通過hyperview打開輸出的OP2文件即可查看模態(tài)計算結果（如圖2所示）。

在CAE工程技術領域模態(tài)分析，Hypermesh最顯著的特點是它所具有的很大的有限元劃分網格前處理功能。按理說，工程師70%的時間都花費在有限元模型的CAE分析建立上或修改、劃分網格上。而真正的分析求解時間是浪費在計算機服務器上。汽車發(fā)動機支架是動力總成懸置系統(tǒng)的功能件和安全件，我們要滿足汽車在各種行駛工作狀況下的強度，同時發(fā)動機懸置支架的約束模態(tài)對車內的噪聲影響較大，如設計不合理，其懸置支架Ⅰ段固有的頻率太低且處于發(fā)動機工作轉速范圍內，懸置支架將產生共振，使得車內噪音增大。因此，模態(tài)是懸置支架的重要的設計指標之一。對此，模態(tài)分析也是一個反復分析的工作，不斷調整結構實現(xiàn)想要的效果。

3 動剛度分析

下面以CN100V發(fā)動機懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）創(chuàng)建頻率卡片。創(chuàng)建freq1卡片，輸入計算起始頻率、頻率間隔、間隔個數(shù)。

（2）創(chuàng)建頻域卡片。創(chuàng)建tabled1卡片，定義生成頻域或時域動態(tài)載荷的表格函數(shù)。

（3）創(chuàng)建加載點卡片。創(chuàng)建darea卡片，在激勵點加載動態(tài)載荷系數(shù)（分別創(chuàng)建3個，對3個方向加載）。

（4）創(chuàng)建聯(lián)合卡片。創(chuàng)建rload1卡片，將darea卡片和tabled1卡片聯(lián)合，形成頻域下的載荷。同樣是創(chuàng)建3個，分別為X、Y、Z方向。

（5）創(chuàng)建動剛度分析步和設置。創(chuàng)建動剛度分析步，freq.resp（modal），分別選擇前面創(chuàng)建的載荷卡片。

（6）結果查看。使用hypergraph2D打開PCH文件，查看輸出的結果文件。對速度曲線進行處理，計算mobility值，mobility=V/F=2πf/Kd。

動剛度用結構的固有頻率衡量;但動作用力的頻率與結構的固有頻率相近時，有可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，所以我們要對零部件進行分析，避免共振現(xiàn)象。頻率響應分析可以實現(xiàn)對結構的動態(tài)特性分析，預測結構的繼續(xù)動力特性，驗證設計能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結構破壞，是計算線形結構在穩(wěn)態(tài)振動激勵下的響應的方式。當然也要考慮動力總成懸置系統(tǒng)剛度的匹配原則。

用后橫梁零部件模擬各種工況進行約束和分析結果如圖3所示。對零部件進行加載點與頻率的模擬，從而利用軟件分析出零部件在各工況下的結果。

4 強度分析與結果

車身在使用中承擔著各種載荷，在這期間，要求車身應能完成作為結構體的承載功能作用。因此，轎車車身使用時既不能產生塑性變形，也不能產生裂紋和損壞，這就要求車身應具有必要的強度。

下面以CN100V發(fā)動機懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）卡片設置。創(chuàng)建應力點，“Shift+F4”移動應力點放在相應的位置，對螺栓安裝孔建立RBE2連接，將加載點與應力點連接選擇移動到應力點，創(chuàng)建約束，約束相應的螺栓安裝孔點，對應力點創(chuàng)建加載，可以選擇分力或合力。

（2）創(chuàng)建零件材料。選擇各向同性的材料卡片MAT1，彈性模量為2.1e5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.9e-9 T/mm3。

（3）分析步和設置。創(chuàng)建屬性文件附于零件材料2D網格上。

（4）輸出設置。編輯屬性輸出設置，NODE FILE→U? ?EL FILE→S，創(chuàng)建強度分析步，分別選擇前面創(chuàng)建的載荷卡片。

（5）分析步和設置。點擊loadcols選擇約束和加載力卡片，點擊outputblocks選擇輸出卡片編輯屬性。

（6）查看設置結果。導出文件XXX.inp文件，雙擊XXX.inp文件搜索error檢查文件，如沒問題會在aaa.sta文件里顯示SUCCESSFULLY，在指定的文件夾創(chuàng)建記事本（a.bat）編輯輸入代碼，aaa為文件名，雙擊（a.bat）系統(tǒng)自動用Abaqus進行計算求解，得出aaa.odb。

（7）查看結果。選擇類型S-Stress components和選擇算法Simple屬性，點擊APPLY查看結果。

眾所周知，一個結構的強度是支撐它壽命的重要因素之一，也是對于汽車重要零部件相當關鍵的一個考核指標。圖4對零部件進行加載點與應力點的模擬，對各方向模擬施加一定的力，從而利用軟件分析出零部件在各工況下顯示出最薄弱的區(qū)域，圖5中紅色部分在工作中最薄弱。重新回到設計階段，對零部件結構進行優(yōu)化工作。例如，更改零件材料、更改零部件狀態(tài)等。

5 結語

基于Hypermesh軟件對懸置支架的分析、模態(tài)、動剛度、強度，本文通過對后懸置支架分析過程和結果判斷零部件的適用性，得出的結果給設計指明了方向，規(guī)避了問題發(fā)生，并為新產品及其他車型的設計提供了思路和參考。本文沒有過多地提供數(shù)據(jù)說明，只提供了一個過程與方法。

參 考 文 獻

[1]劉祖斌，劉英杰.發(fā)動機懸置設計中的動、靜剛度參數(shù)研究[J].汽車技術，2008（6）.

[2]李建康，鄭立輝，宋向榮.汽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)動剛度模態(tài)分析[J].汽車工程，2009（5）.

[3]宋向榮，靳永軍，李建康.基于動剛度實驗的發(fā)動機懸置系統(tǒng)計算模型及模態(tài)驗證[J].噪聲與振動控制，2010（4）.