陶政

摘 要：本文針對某新車型保險杠開發(fā)，在理論分析的基礎(chǔ)上，基于 Altair HyperWorks軟件，給出了優(yōu)化方案并設(shè)計出一種新型的桁架式結(jié)構(gòu)保險杠。最終，將其一階固有頻率提高到 30Hz以上，滿足了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：保險杠；模態(tài)分析；汽車

1 引言

保險杠是吸收沖擊力，防護(hù)車身前后部的安全裝置。其性能的好壞會給用戶直觀的感知，如果設(shè)計剛度不足，容易在低頻時產(chǎn)生較大的抖動，從而造成疲勞開裂。因此在進(jìn)行保險杠設(shè)計時，要充分考慮其剛度要求。在傳統(tǒng)開發(fā)流程中需要對保險杠進(jìn)行測試才能發(fā)現(xiàn)振動問題。而且在這一階段進(jìn)行改進(jìn)會導(dǎo)致改動空間小、成本高、周期長的問題。通過 CAE對其進(jìn)行模態(tài)分析，可以在早期對方案進(jìn)行改進(jìn)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本文采用 Altair公司的 HyperMesh軟件對保險杠模型進(jìn)行前處理，并用求解器 OptiStruct進(jìn)行計算，使用 HyperView進(jìn)行后處理，在設(shè)計前期發(fā)現(xiàn)問題，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高其一階固有頻率，達(dá)到模態(tài)頻率的設(shè)計要求，并且設(shè)計出一種桁架式保險杠，為設(shè)計師提供優(yōu)化改進(jìn)的方向和思路。

2 有限元模型的建立

某車型開發(fā)項(xiàng)目中采用金屬保險杠。希望通過有限元分析，考查該保險杠結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否滿足設(shè)計要求，并希望得到優(yōu)化方案。保險杠總成采用 HyperMesh軟件建立有限元模型，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各零件之間使用 RBE2單元連接，保險杠上的前燈采用集中質(zhì)量 mass單元代替。

3 模態(tài)分析工況和約束條件

根據(jù)輕型商用車車產(chǎn)品開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)保險杠一階固有頻率大于 30Hz時，不會發(fā)生抖動和開裂問題。本文主要分析保險杠總成約束模態(tài)。約束與車架相連的螺栓孔全部自由度，計算有限元模型前 6階模態(tài)頻率和振型。

4 分析結(jié)果

模型求解完畢以后，使用后處理軟件 HyperView 查看保險杠總成的前六階模態(tài)以及應(yīng)變能。初始方案一階固有頻率為 14.4Hz，不滿足大于 30Hz的要求。由應(yīng)變能云圖可見，與車架相連的固定支架剛性較低。需要優(yōu)化該保險杠總成結(jié)構(gòu)。

5 優(yōu)化方案

通過觀察模態(tài)應(yīng)變能圖，可以發(fā)現(xiàn)保險杠薄弱的部位。于是對保險杠進(jìn)行了反復(fù)的優(yōu)化。新方案的一階固有頻率提高到 30.1Hz，滿足了模態(tài)要求。雖然新方案滿足了模態(tài)要求，但我們?nèi)韵Ｍ_發(fā)一個重量較低的方案。因此，進(jìn)一步設(shè)計了新型的桁架式保險杠被，該保險杠采用鋼管骨架結(jié)構(gòu)，見圖 1。表 1為該桁架式保險杠與原保險杠的一階固有頻率和質(zhì)量對比。

6 結(jié)論

本文利用 CAE技術(shù)，模擬計算了某車型保險杠總成初始方案的模態(tài)，并在此方案基礎(chǔ)上進(jìn)行 10輪優(yōu)化，得出了滿足模態(tài)要求的方案。同時，設(shè)計出一種新的桁架式結(jié)構(gòu)保險杠，在一階固有頻率滿足設(shè)計要求的前提下，質(zhì)量降低了 5.5%，為保險杠總成的開發(fā)設(shè)計提供了改進(jìn)的方向和思路，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了設(shè)計的質(zhì)量。

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