張永康，廖武，梁林，李龍晶，苗文杰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperMesh的某乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架輕量化設(shè)計(jì)

張永康，廖武，梁林，李龍晶，苗文杰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用有限元分析軟件HyperMesh建立某乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的CAE模型，通過模擬整車工況對其進(jìn)行受力分析，根據(jù)應(yīng)力云圖分布情況設(shè)計(jì)懸置支架的最優(yōu)化降重方案。結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件CATIA對懸置支架的三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后對優(yōu)化結(jié)構(gòu)再行應(yīng)力分析校核，確保優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性，以實(shí)現(xiàn)降重目標(biāo)。

懸置支架；應(yīng)力分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；降重

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.037

CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-110-03

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架是乘用車連接發(fā)動(dòng)機(jī)和懸置總成的重要零部件，其承受來自動(dòng)力總成的復(fù)雜的力和力矩。在整車結(jié)構(gòu)中，懸置支架作為A類件（最重要的零部件類），設(shè)計(jì)時(shí)對其強(qiáng)度有著較高的要求。而隨著我國汽車行業(yè)的高速發(fā)展，國家對整車油耗要求越來越高，人們對汽車節(jié)能減排的問題日益關(guān)注，整車零部件的輕量化也越來越受到主機(jī)廠以及市場客戶的重視。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架在設(shè)計(jì)之初要求在滿足強(qiáng)度目標(biāo)的前提下，盡可能的減輕其自身重量[1]。

本文以某乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架作為優(yōu)化設(shè)計(jì)對象，應(yīng)用CAE分析軟件HyperMesh中的OptiStruct模板，通過模擬整車24種工況進(jìn)行受力分析，得到各工況下懸置支架的應(yīng)力云圖。依據(jù)“薄弱處加強(qiáng)、強(qiáng)固處削弱”的原則，對懸置支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并對其合理性進(jìn)行反向有限元分析校核，保證在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)達(dá)到降重目標(biāo)。

1、懸置支架受力分析

1.1 CAE模型建立

HyperMesh是一個(gè)高質(zhì)量高效率的有限元前處理軟件，其強(qiáng)大的幾何清理功能可以方便靈活的對幾何模型進(jìn)行清理和優(yōu)化，高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分技術(shù)可以快速有效的完成實(shí)體模型的二、三維網(wǎng)格劃分，先進(jìn)的網(wǎng)格變形技術(shù)可直接更改現(xiàn)有網(wǎng)格，無需重構(gòu)模型即可實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)。HyperMesh的上述特點(diǎn)在很大程度上提高了CAE建模的效率和質(zhì)量，以便工程師把更多的精力放在后續(xù)對產(chǎn)品本身性能的研究和改進(jìn)上，從而大大縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期[2]。

首先在CATIA中初步建立發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的三維實(shí)體模型（如圖1所示），并將之導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立懸置支架的有限元模型。模型采用四面體單元網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為3mm，并設(shè)定彈性模量E=1.69×105MPa，泊松比μ=0.275，材料為QT450-10。材料屈服極限310MPa，抗拉極限450MPa，密度ρ=7.1×10-9t/mm3，取支架安全系數(shù)＞2。有限元模型如圖2所示。

圖1 懸置支架三維模型

圖2 懸置支架有限元模型

1.2 約束與加載

將發(fā)動(dòng)機(jī)簡化為剛體、懸置支架簡化為懸臂梁。約束與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的四個(gè)安裝孔的全部自由度，即相當(dāng)于約束懸臂梁一端的6個(gè)自由度，然后在另一端進(jìn)行加載。加載點(diǎn)為懸置總成的彈性中心，即為懸置支架與懸置總成接觸面上連接孔中心向下偏移6mm位置，所加載荷為模擬整車24種工況下所提取的力，其中前10種工況為典型工況，其余工況為極限工況，其大小如表1所示，加載后模型如圖3所示[3]。

圖3 模型約束及加載

1.3 受力分析

圖4 4極限工況應(yīng)力云圖

用OptiStruct求解器對原懸置支架模型進(jìn)行受力分析，得到24種工況下懸置支架應(yīng)力云圖及各工況下所受最大應(yīng)力，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況21下，σmax=192.8MPa，安全系數(shù)為2.3。圖4為4種極限工況下懸置支架應(yīng)力云圖。

表1 懸置支架工況載荷

由上述分析結(jié)果可以看出，所選定的懸置支架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，且有較高的安全系數(shù)。該支架重量為1.63Kg，降重空間較大，需在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上對該支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2、懸置支架輕量化設(shè)計(jì)

2.1 降重優(yōu)化空間的設(shè)定

對各工況下懸置支架的應(yīng)力云圖進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)：支架的外輪廓所受應(yīng)力普遍較小，只有幾十兆帕，兩端安裝孔外圍幾乎不受力；三處加強(qiáng)筋最大應(yīng)力約150MPa左右，安全系數(shù)較高；支架整體受力情況良好，只有部分倒角位置存在應(yīng)力集中。

根據(jù)上述分析結(jié)果，對原懸置支架結(jié)構(gòu)做出如下調(diào)整：

（1）對支架外輪廓進(jìn)行削減。確保在滿足安裝接觸面及標(biāo)準(zhǔn)件法蘭面貼合的前提下，將支架外輪廓設(shè)計(jì)成最??；

（2）凹槽優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證強(qiáng)度安全系數(shù)＞2的前提下，將凹槽壁厚及三處加強(qiáng)筋厚度由10mm減小到6mm；

（3）設(shè)計(jì)局部加強(qiáng)、削弱特征。對應(yīng)力云圖上應(yīng)力偏小或相對安全的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將支架材料均勻分布，進(jìn)而使支架各處安全系數(shù)均勻，且＞2。

（4）重新設(shè)定支架各處倒角，使支架整體圓滑過渡，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合考慮懸置支架的工藝性、可裝配性及上述結(jié)構(gòu)調(diào)整內(nèi)容，對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的懸置支架如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后懸置支架三維模型

優(yōu)化后的懸置支架重量為1.21Kg，較優(yōu)化前減輕0.42Kg，實(shí)現(xiàn)單個(gè)支架降重26%，降重效果明顯且可觀。

3、輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

為了保證新的懸置支架能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，仍按照上述受力分析方法對新的支架進(jìn)行24種工況受力分析，得到各工況下的最大應(yīng)力及應(yīng)力云圖。如表2和圖6所示。

圖6 幾種極限工況應(yīng)力云圖

表2 幾種工況下的最大應(yīng)力及安全系數(shù)

從以上分析結(jié)果可以看到，降重優(yōu)化后的懸置支架在24種工況下所受到最大應(yīng)力σmax=219.4MPa，其安全系數(shù)為2.05＞2。同時(shí)，對比優(yōu)化前的懸置支架應(yīng)力云圖可知，新的懸置支架應(yīng)力分布更加均勻，各處材料利用更加充分。所以，上述懸置支架的輕量化設(shè)計(jì)較為合理，且新的支架強(qiáng)度和重量都能滿足設(shè)計(jì)需求。

4、結(jié)論

本文以某車型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架作為輕量化設(shè)計(jì)對象，通過三維模型制作、有限元模型建立、強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法，將懸置支架的重量由最初的1.63Kg減輕至1.21Kg，實(shí)現(xiàn)降重26%。并通過CAE分析校核，進(jìn)一步確保了輕量化設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性，在保證強(qiáng)度可靠的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了懸置支架的輕量化目標(biāo)。

[1] 吳仕賦.基于有限元汽車支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué).2005.

[2] 王鈺棟等.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3] 何偉麗等.基于HyperMesh懸置支架強(qiáng)度分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015,53（3）：15-17.

The Lightweight Design of A Passenger Car Engine Mount Bracket Based on HyperMesh

Zhang Yongkang, Liao Wu, Liang Lin, Li Longjing, Miao Wenjie
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

This paper by using the finite element analysis software HyperMesh to establish the CAE model of a passenger car engine mount bracket, and performed stress analysis of it under the vehicle condition. According to the distribution of the stress nephogram, formulate an optimization scheme to reduce the weight of the bracket, then optimize the structure of the 3D model by CATIA. Finally recheck the reliability of the optimized structure of the new bracket, to verify the rationality of the scheme, and realize lightweight design.

mount bracket; stress analysis; structure optimization; weight reduction

U463.82

A

1671-7988 (2016)12-110-03

張永康（1990—），男，底盤設(shè)計(jì)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事乘用車懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。