汽車塑料保險杠模態(tài)分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張世湖 呂偉妮 陳俊 熊希平 黎勝欽

摘 要：針對某國產(chǎn)SUV車型的塑料保險杠進行了結(jié)構(gòu)簡化，利用hypermesh軟件建立塑了料保險杠的有限元分析模型。通過對該有限元分析模型的模態(tài)分析，得到保險杠的各階模態(tài)頻率和模態(tài)特性，并利用拓撲優(yōu)化技術(shù)對保險杠進行拓撲優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對保險杠結(jié)構(gòu)進行改進并進行有限元分析，對比優(yōu)化前后模態(tài)性能。結(jié)果表明，經(jīng)過拓撲優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的模態(tài)性能有較大提高。

關(guān)鍵詞：保險杠;有限元分析; 模態(tài)頻率;拓撲優(yōu)化

中圖分類號：U468.4? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-91-05

Abstract： After a plastic bumper structure of a domestic SUV model is simplified， the finite element analysis model of the plastic bumper is built by using the hypermesh software. Through the modal analysis of the finite element analysis， modal frequencies of the bumper and modal characteristics are obtained and the topologic optimization method is applied to topology optimization of the bumper. The result of optimization is used to improve the bumper structure and the finite element analysis is conducted to compare the modal properties before and after optimization. Results show that modal performance of structures is greatly improved after the topology optimization.

Keywords： finite element analysis; bumper; modal frequency; topology optimization

1 前言

保險杠是汽車上一個比較大的外觀件，作為一個獨立的總成安裝在汽車上，它對汽車的安全防護。造型效果、空氣動力性等有著較大的影響。為降低成本和油耗，汽車輕量化要求越來越高，密度較小、防腐性能更好的塑料材料在汽車保險杠上的用量越來越多。[1]在汽車行駛的過程中，保險杠會由于路面激勵和發(fā)動機的震動激勵而引起振動，這容易引起保險杠的疲勞損壞。結(jié)構(gòu)設(shè)計得比較差的保險杠會使得保險杠的固有頻率比較低，容易接近激勵的頻率，使得保險杠的振動比較大，導致保險杠結(jié)構(gòu)破壞。因此在保險杠的設(shè)計過程中要考慮保險杠的動力學特性，使保險杠的固有頻率有效地避開激勵頻率，防止發(fā)生共振，降低對保險杠的疲勞損傷。通常情況下，僅僅根據(jù)設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗一般只能得到一些可行方案，但這些方案并不是最優(yōu)方案，隨著計算機的快速發(fā)展和CAE技術(shù)成熟，一些新的手段可以大大改善優(yōu)化質(zhì)量。本文針對國產(chǎn)某車型的塑料保險杠進行了模態(tài)分析，然后利用拓撲優(yōu)化方法對其進行拓撲優(yōu)化，在局部區(qū)域增加加強筋，并對優(yōu)化后的方案再次進行模態(tài)分析，經(jīng)過計算結(jié)果證明，修改后的方案使得保險杠的固有頻率大幅提高。[2]

2 模態(tài)分析理論

靜力學方程和動力學方程不同的是動力學方程中增加了慣性力和阻尼力的影響：

其中M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，P為載荷矩陣。為位移a 對時間的二階導數(shù)，即為加速度，為位移a對時間的一階導數(shù)，即為速度。

當載荷為零的情況下，并且忽略阻尼的影響，動力學方程式（1）就可以轉(zhuǎn)換成為無阻尼的自由振動方程：

對于簡諧振動：

帶入無阻尼自由振動方程就可以得到：

求解這一方程就可以得到一組特征值和對應(yīng)的特征向量， ， ， ，…，其中，0≤<<…<，其中特征向量就代表了系統(tǒng)的固有振型，當振型滿足以下條件時，則稱之為正則振型：

將特征解 ，代入無阻尼自由振動方程：

將 兩端乘以 ，將兩端乘以，得到：

由K和M的對稱性：

從而得到：

由上式可知，當，必然有：

因此，固有振型對于質(zhì)量矩陣是正交的：

對于K陣，很容易得到：

式中稱為固有振型矩陣，稱為固有頻率矩陣，則原特征值問題可以轉(zhuǎn)化為：

求解特征值問題的算法包括廣義Jacobi法、逆迭代法、正迭代法、Rayleigh商迭代法、行列式搜索法，子空間迭代法、Ritz向量直接迭代法、Lanczos法。其中以子空間迭代法和Lanczos法最為常見。[3]

3 有限元模型建立及模態(tài)分析

3.1 幾何模型的清理

由于塑料零部件的CAD模型結(jié)構(gòu)相對鈑金件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導入hypermesh軟件后抽取中性面時，經(jīng)常會出現(xiàn)中性面不全，或者特征結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此需要進行幾何特征清理，便于網(wǎng)格劃分。

（1）面的處理：在CAD軟件中，零件的面由各自的線和面組成，相鄰曲面沒有公共邊線，曲面之前可能還會存在縫隙、重疊、錯位等缺陷，使得曲面不能直接生成網(wǎng)格，給網(wǎng)格劃分帶來困難，因此需要對這些邊線進行處理：刪除重合的面、線以及線上多余的點;縫合相鄰曲面。

（2）細小特征處理：網(wǎng)格劃分時考慮細小特征會由于尺寸大小原因造成網(wǎng)格質(zhì)量差，給后期CAE分析造成困難，增加計算量，使求解時間變長。但刪除細小特征對分析結(jié)果影響不大，因此需要去除一些細小的幾何特征。

2.3 混動技術(shù)

混動技術(shù)介紹，有兩種驅(qū)動方式，發(fā)動機驅(qū)動和電力驅(qū)動兩種驅(qū)動。車輛啟動停止時，是靠電動機帶動，低轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機是不猜與工作的，發(fā)動機一直處于休眠的狀態(tài)，只有在高轉(zhuǎn)速，或者電量匱乏的條件下，發(fā)動機才工作。混動汽車的燃油經(jīng)濟性好，在起步、加速時，發(fā)動機不參與工作，電機系統(tǒng)就能實現(xiàn)，這樣油耗必然會下降，簡單地說，就是與同樣重量的汽車相比，比汽油方面的消費會更低。而且，電機輔助驅(qū)動系統(tǒng)可以在汽車起動時，瞬間產(chǎn)生強大的動力，這樣加速會更好。總之最主要是環(huán)保更好。

2.4 甲醇技術(shù)

是以甲醇為燃料的，代替汽油汽車，其性能與汽油接近，可以應(yīng)用在點燃式的發(fā)動機上。

全球上有很多個國家的汽車，已經(jīng)把甲醇作為燃料。中國，吉利汽車在南方推廣了很多，集中應(yīng)用在出租車市場。甲醇汽車的地位日益提升，是因為甲醇的資源豐富，屬于可生物質(zhì)的能源。

2.5 缸蓋集成技術(shù)

缸蓋與進氣歧管集成技術(shù)方案，不像以往那種采用幾根彎曲的管子直接安裝在缸蓋上，而是直接采用一個帶穩(wěn)壓腔的進氣歧管?？諝馔耆壳粊矸峙錃饬?，直接進入到燃燒室內(nèi)。

發(fā)缸蓋與排氣歧管集成技術(shù)方案，又集成了水冷裝置，使得暖機過程更快，從而降低排放;有利于冷啟動時的快速升溫，讓排氣熱量被空調(diào)暖風系統(tǒng)使用，提升了熱效率。

把排氣歧管置于缸蓋之內(nèi)，渦輪增壓器的安裝位置更靠近發(fā)動機，提高了增壓器的響應(yīng)時間，解決了增壓系統(tǒng)固有滯后的現(xiàn)象。

總之，集成設(shè)計除了可降低發(fā)動機重量，還有助于提升車輛效率，使前后重量更加平衡，提升操控反應(yīng)和駕駛感受。

2.6 啟停技術(shù)

啟停技術(shù)工作原理是，當車輛因為擁堵或者遇到紅綠燈停止行進時，踩一下制動踏板后停車摘擋。此時Start/Stop系統(tǒng)開始檢測信號：1）、發(fā)動機空轉(zhuǎn)且沒有掛擋;2）、防鎖定系統(tǒng)的車輪轉(zhuǎn)速傳感器顯示為零;3）、電子電池傳感器顯示有足夠的能量進行下一次起動。三個條件缺一不可，同時檢測到發(fā)動機才能夠自動啟停。手動擋車駕駛員踩下離合器，隨即就可以起動“啟動停止器”，并快速地起動發(fā)動機。自動擋車，只要一松開剎車，或者轉(zhuǎn)動方向盤，發(fā)動機啟動，踩加速踏板起步，整個過程都處于D位狀態(tài)。

目前不僅在豪華車上已經(jīng)采用，很多國產(chǎn)車上也很多開始采用，它的核心在于自動控制熄火和起動，這項技術(shù)可以有效降低發(fā)動機怠速空轉(zhuǎn)的時間，在走走停停的交通狀況下可以降低排放，還可以提高燃油經(jīng)濟性。

2.7 輕量化技術(shù)

實現(xiàn)輕量化在幾個方面進行開展，采用新材料，通過降

調(diào)質(zhì)量密度實現(xiàn)降低質(zhì)量，另外縮小體積，還有采用拓撲優(yōu)化方案進行減重。

缸體、活塞、缸蓋、進氣歧管、搖臂、發(fā)動機懸置支架、發(fā)動機散熱器等都采用鋁合金材料。缸體還采用了拓撲優(yōu)化進行了減重，活塞還采用減重坑設(shè)計（見圖4），連桿、曲軸正在試驗采用鈦合金材料的，質(zhì)量輕，并且強度大。這些新技術(shù)都為汽車節(jié)能減排、提高效率奠定了良好基礎(chǔ)。

小型化的，例如1.4L、1.2L、1.0L這樣小排量的發(fā)動機投入市場。

數(shù)據(jù)表明，整車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高5%-8%;質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.5L。發(fā)動機在汽車上占有較大比重，因此，小型機輕量化技術(shù)降成為主流。

3 結(jié)論

以上是七種主流技術(shù)的闡述，應(yīng)用在發(fā)動機上，最終的目的就是提高汽車發(fā)動機的動力性，提高燃油經(jīng)濟性，降低排放。

參考文獻

[1] 催勝民.新能源汽車技術(shù)[M].北京：北京大學出版社，2009.

[2] 付京京.汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展狀況及其實施途徑分析[J].信息系統(tǒng)工程，2016（7）.

[3] 石巖.電子控制技術(shù)[M].南京：南京大學出版社，2016.