某商用車發(fā)動機(jī)前懸支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐晴朗　徐斌　陳作開

摘要：本文應(yīng)用Altair公司的有限元軟件Optistruct，對某商用車的發(fā)動機(jī)前懸支架進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并找出了發(fā)動機(jī)前懸支架路試斷裂的原因，據(jù)此對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：Optistruct；發(fā)動機(jī)前懸支架；斷裂；優(yōu)化

1概述

隨著仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析已經(jīng)成為汽車產(chǎn)品仿真分析的關(guān)鍵手段。而汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)是汽車產(chǎn)品仿真分析最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。通過應(yīng)用有限元分析，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期充分利用有限元分析軟件快速有效地模擬產(chǎn)品在各種工況下的狀態(tài)，幫助汽車工程師及時(shí)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文以某商用車的發(fā)動機(jī)前懸支架為分析對象，利用Altair公司的HyperMesh建立準(zhǔn)確合理的有限元模型，利用Optistruct進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用HyperView進(jìn)行結(jié)果后處理得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形云圖，找出失效原因，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了針對性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后經(jīng)過道路試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案效果良好。

2發(fā)動機(jī)前懸支架斷裂問題描述

某款商用車在可靠性道路試驗(yàn)完成總里程（10000Km）的40%時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)前懸支架出現(xiàn)斷裂失效，斷裂失效的圖片如圖1所示（斷裂點(diǎn)為支架與發(fā)動機(jī)支撐圓管橫梁連接處，已臨時(shí)焊加固板）。斷裂原因初步認(rèn)為是發(fā)動機(jī)前懸支架通過焊接與發(fā)動機(jī)左右前懸連為一體，又通過發(fā)動機(jī)軟墊與發(fā)動機(jī)間接連接，發(fā)動機(jī)本體的抖動會有很大一部分通過軟墊傳遞給支架，且在起伏路面顛簸給予此處更大的振動，導(dǎo)致疲勞開裂。本文對該問題進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

3強(qiáng)度分析

3.1整體結(jié)構(gòu)分析

該發(fā)動機(jī)前懸總成用于SOFIM112E4國四液制動發(fā)動機(jī)車型，發(fā)動機(jī)最大凈功率為90kW，最大扭矩為320Nm，整機(jī)質(zhì)量約260kg，相關(guān)振動、噪聲試驗(yàn)已在臺架上驗(yàn)證合格。發(fā)動機(jī)前懸采用“V”型托舉方式，發(fā)動機(jī)通過軟墊用螺栓與左右前懸置固定在一起，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

具體發(fā)動機(jī)前懸支架結(jié)構(gòu)見圖3，各連接處均為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊固定，路試斷裂部分見圖3紅色處。

由于路試出現(xiàn)斷裂，必須對發(fā)動機(jī)前懸支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從支架本身的結(jié)構(gòu)的進(jìn)行分析。

3.2有限元模態(tài)分析基本理論

結(jié)構(gòu)在特定頻率的振動激勵作用下產(chǎn)生的變形形式稱為模態(tài)振型，每一階模態(tài)振型與一個特定的自然頻率相關(guān)聯(lián)。特征頻率，基礎(chǔ)頻率，共振頻率和正則頻率等都是自然頻率的同義詞。自然頻率和振型是結(jié)構(gòu)本身的物理屬性，由結(jié)構(gòu)特性和邊界條件決定，如果結(jié)構(gòu)特性變化（如彈性模量變化），則頻率也會發(fā)生變化，但是振型未必變化，如果邊界條件變化，則頻率和振型同時(shí)都會發(fā)生變化。如果不考慮阻尼，則得到的特征值都是實(shí)數(shù)。如果考慮阻尼，則特征值都將是復(fù)數(shù)。

模態(tài)分析的作用：

1、評估被支撐部件與支撐結(jié)構(gòu)的動態(tài)是否交互（是否共振）。

2、其他后續(xù)的動力學(xué)分析（如頻率響應(yīng)分析等）可以在模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行。模態(tài)分析可以直接讀取模態(tài)頻率和振型。

3、模態(tài)分析結(jié)果可以用于指導(dǎo)試驗(yàn)。

3.3有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)部門工程師提供的車體3D幾何數(shù)據(jù)，利用HyperWorks的前處理建模軟件HyperMesh進(jìn)行有限元建模，發(fā)動機(jī)前懸支架強(qiáng)度分析所用的有限元模型如圖4所示。

3.4材料屬性

發(fā)動機(jī)前懸支架材料為B510L，整體厚度6mm，強(qiáng)度分析所用的材料參數(shù)由CAE材料數(shù)據(jù)庫中得到。

3.5邊界條件約束及載荷集建立

模型底部由于與鋼管橫梁焊接在一起，約束123456自由度，模型上部與發(fā)動機(jī)支撐焊接，約束123456自由度，為便于不同方案與基礎(chǔ)車之間做對比，用相同的邊界約束和載荷集，采用對比分析。

3.6基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)懸架強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)給定工況，對原狀態(tài)車也就是基礎(chǔ)車進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到分析結(jié)果圖5所示。利用HyperView查看分析結(jié)果。

由分析結(jié)果可知，支架與鋼管橫梁焊接處，容易發(fā)生扭曲變形。且變形的頻率在24HZ左右，低于要求設(shè)計(jì)要求38HZ，所以此處容易斷裂。

3.7結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

針對發(fā)動機(jī)前懸支架的強(qiáng)度分析結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際受載情況，給出如下優(yōu)化方案。通過相同工況下的對比分析，解決支架結(jié)構(gòu)薄弱引起的斷裂問題。

3.7.1優(yōu)化方案

為提高發(fā)動機(jī)前懸支架的局部剛度，將支架兩側(cè)增加翻遍，寬度左右各為15mm，結(jié)構(gòu)見圖6.

3.7.2優(yōu)化方案分析結(jié)果

如圖7所示，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在支架的翻邊位置，可以看出發(fā)動機(jī)引起的抖動也隨著翻邊被延伸至外側(cè)，此處翻邊因未和發(fā)動機(jī)支撐圓管梁相焊接固定，故因抖動造成的拉伸力也較小，能夠承受的抖動頻率及振幅也更大，且焊接連接部分變形頻率在63HZ左右滿足設(shè)計(jì)要求，亦不屬于疲勞敏感部位。因此該方案效果較為明顯。

3.8優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證效果

根據(jù)優(yōu)化方案分析結(jié)果，工程部門根據(jù)建議采用了此優(yōu)化方案。通過后期的10000Km可靠性道路試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案實(shí)施以后，發(fā)動機(jī)前懸支架未再出現(xiàn)路試斷裂的現(xiàn)象，完全滿足了設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

本文對實(shí)際工程問題進(jìn)行有限元建模分析，找出了發(fā)動機(jī)前懸支架道路試驗(yàn)開裂的原因。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效的降低了發(fā)動機(jī)前懸支架疲勞敏感處應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免了可靠性路試再次出現(xiàn)開裂的問題。

通過HyperWorks軟件，可以準(zhǔn)確的對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散及虛擬仿真，快捷、有效的解決實(shí)際工程問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。