0 前言

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

    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構強度的主要手段，因此確定加強筋布置方案是鈑金支架設計開發的關鍵環節之一。目前，有限元技術在支架的設計中已經得到廣泛應用，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。根據有限元分析結果對加強筋布置方案進行改進大多只能憑借設計者的經驗，得到的往往只是可行性設計而不是最優化設計，如何借助先進的設計理念及分析工具獲取支架加強筋的最優布局是設計者們正需要解決的問題。利用HyperWorks中的形貌優化工具，可以按照設計的要求，優化出支架加強筋的最佳布局，這樣不僅可以節省設計的時間，而且還能提高設計質量。

1 載荷工況確定

    根據GMW14116標準規定的懸置系統28工況載荷數據，在此選取4個極限工況和2個典型工況作為計算的依據(見表1), 此處的載荷數據來自某車型懸置系統設計匹配分析報告。

表1 支架應力計算工況

2 建立優化模型

    根據懸置支架在整車及發動機上的設計空間，設計出支架的初始模型。初始模型的設計不考慮肋板的布置，僅根據設計空間設計出支架的初始形貌。為了便于形貌優化的計算，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點，并在質點上賦予415g的集中質量，并用reb2單元連接。利用PSHELL單元對支架進行網格劃分，為了保證優化的質量，要對網格的密度和質量進行控制。網格密度對優化出的結果有較大的影響，網格質量差會導致優化問題不收斂，此時選用的網格大小為4mm，劃分完后得到1565個節點和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如表2所示。

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

表2 支架材料及其固有力學性能參數

圖2 網格模型和設計空間

3 支架模態分析

    根據GM的最佳設計經驗，為了避免發生共振，對于設計的支架第一階頻率有一個設計的目標值（如600HZ）。對初始設計的支架進行模態分析，發現原始設計的支架一階模態為577HZ，未能達到設計標準； 需要進行優化分析，得到合理的加強筋布局來提高支架模態。

圖3 模態分析圖

4 形貌拓撲優化分析

    在進行形貌優化分析時設置合理設定參數，可以幫助提高優化的效果，并且使優化的結果更加具有實用性。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，為了提高優化的效果可以適當提高肋板高度；同時根據實際情況，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 優化分析結果

    查看優化結果，如果對優化結果不滿意，可以調整優化參數。利用OSSmooth工具可以到處優化后的幾何模型，再導入專業的CAD軟件，作為參照對初始設計進行修改，得到最終的優化設計方案見圖5。

5 優化方案分析

    5.1 強度分析

    對懸置支架原始模型與優化后模型 導入Abaqus軟件中進行同工況靜力學分析對比，以了解優化前后模型的剛度與強度情況。得到結果如表3。

表3 優化前后應力對比

    由6種工況靜力學分析結果來看，優化后模型相對原始模型應力云圖分布更加合理，各個工況下最大應力明顯改善。

    5.2 模態分析

    為了驗證優化設計方案的可靠性，對優化方案進行模態分析，一階模態已經達到了755HZ，已經滿足了目標值，見圖5。而且從模型上來看加強筋的布置合理符合生產制造工藝的要求，零件的重量也沒有增加。

圖5 優化后模型及其一階模態

6 結論

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

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本文標題：2014產品創新數字化征文：形貌優化在懸置支架設計中的應用

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