劉博，張曉東，趙賽，王俊，李志強(qiáng)

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

基于整車耐久試驗路況的動力總成懸置支架強(qiáng)度仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉博1,2，張曉東1,2，趙賽1,2，王俊1,2，李志強(qiáng)1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

在整車開發(fā)前期對汽車零部件進(jìn)行仿真分析，能夠縮短整車開發(fā)周期，是現(xiàn)在汽車設(shè)計發(fā)展的趨勢。為提高有限元仿真分析精度，基于整車耐久試驗路況制定了動力總成懸置支架的強(qiáng)度分析工況，并根據(jù)懸置支架與周邊件的實際裝配關(guān)系建立能夠準(zhǔn)確反映懸置支架受力的有限元模型。根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果，對動力總成懸置支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，懸置支架的應(yīng)力水平明顯降低，并通過應(yīng)力采集試驗驗證了有限元仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

動力總成懸置支架；耐久；仿真；強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

動力總成懸置支架是動力總成懸置系統(tǒng)中核心的支撐部件，其主要功能是為發(fā)動機(jī)提供支撐和定位，避免發(fā)動機(jī)在各方向運(yùn)動時與周邊零部件發(fā)生干涉或碰撞，同時隔離發(fā)動機(jī)自身及不平路面?zhèn)鬟f的振動[1]。隨著汽車設(shè)計向著大扭矩、輕型化、經(jīng)濟(jì)化方向發(fā)展，不斷采用小型、大功率發(fā)動機(jī)和輕量化的汽車材料使動力總成懸置的設(shè)計面臨更多的問題[2-3]。

文中以某款SUV車型為例，基于耐久試驗路況制定了動力總成懸置支架的強(qiáng)度仿真分析工況，采用有限元仿真方法完成動力總成懸置支架結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的風(fēng)險識別與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為后期懸置系統(tǒng)的開發(fā)積累經(jīng)驗指導(dǎo)。

1 問題描述

某款SUV車型動力總成懸置采用三點布置，左懸置支架通過4個螺栓與機(jī)艙左縱梁連接，并通過一系列裝配關(guān)系對動力總成起到支撐作用。左懸置本體支架材質(zhì)為A380鑄鋁，屈服強(qiáng)度160 MPa。當(dāng)動力總成上、下顛簸時，左懸置本體支架“碗形”口內(nèi)Z向受力較大，此時左懸置本體支架的受力形式類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，其根部易產(chǎn)生應(yīng)力集中，存在失效風(fēng)險。

動力總成懸置支架經(jīng)典工況與實車耐久路況存在差異，無法準(zhǔn)確反映動力總成懸置支架實際受力。為有效識別懸置支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)險，有必要測試實車耐久路況下動力總成的加速度，制定針對耐久試驗路況的動力總成懸置支架強(qiáng)度分析工況，以提高有限元仿真分析精度，為懸置支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

2 動力總成懸置強(qiáng)度分析工況的制定

2.1 懸置加速度的采集

當(dāng)前技術(shù)條件下，動力總成質(zhì)心加速度無法直接獲取。通過在整車耐久試驗路況下測試動力總成其他位置的加速度，然后采用剛體運(yùn)動合成定理，可間接得出動力總成質(zhì)心的三向加速度，制定基于耐久試驗路況的動力總成懸置支架強(qiáng)度分析工況。

分別在左、右、后懸置所在位置粘貼三向加速度傳感器，如圖2所示。加速度傳感器粘貼的位置均與動力總成剛性連接，且未經(jīng)橡膠隔振。在整車耐久試驗場分別測量動力總成懸置各個路面的加速度時域信號。

圖2 加速度傳感器粘貼位置

2.2 動力總成質(zhì)心加速度的獲取

測得左、右、后懸置的加速度時域信號，根據(jù)剛體運(yùn)動合成定理，可列出關(guān)于動力總成質(zhì)心加速度與左、右、后懸置加速度之間的加速度分量的合成方程，如式(1)所示[2]：

B·Ac=Api

(1)

(2)

式中：Ac為動力總成質(zhì)心的加速度矢量；Api為動力總成懸置的加速度矢量；B為與測點位置相關(guān)的轉(zhuǎn)換矩陣。

在nCode軟件中，根據(jù)上述方程搭建求解動力總成質(zhì)心加速度的流程，如圖3所示。以動力總成懸置的加速度作為輸入，求解得到動力總成質(zhì)心的加速度，各向加速度時域信號如圖4所示。

圖3 動力總成質(zhì)心加速度求解流程圖

圖4 動力總成質(zhì)心加速度時域信號

分別提取圖4中動力總成質(zhì)心加速度在X、Y、Z向取得極值時的加速度值，作為動力總成懸置支架的強(qiáng)度分析工況。

3 動力總成懸置支架強(qiáng)度建模方法研究

該車型動力總成左懸置本體支架“碗形”口內(nèi)通過橡膠硫化用于隔振，常用的分析方法是建出左、右、后懸置的系統(tǒng)模型，在動力總成質(zhì)心施加載荷，同時在懸置本體支架“碗形”口內(nèi)抓取剛性單元模擬橡膠。該方法造成懸置本體支架“碗形”口部分過于剛硬，與懸置支架的實際受力不符。

根據(jù)第2.2節(jié)動力總成質(zhì)心耐久試驗路況下的加速度值，在ADAMS軟件中建立動力總成懸置系統(tǒng)多體模型，在動力質(zhì)心施加載荷，通過載荷分解方法可以獲取左懸置襯套彈性中心位置的載荷。

根據(jù)左懸置本體支架與周邊件的實際裝配關(guān)系，在有限元軟件中建立左懸置本體支架的強(qiáng)度分析模型，如圖5所示。該方法可以有效避免前述左懸置本體支架過于剛硬問題。

圖5 左懸置本體支架強(qiáng)度分析模型

4 有限元分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用第2.2節(jié)動力總成懸置強(qiáng)度分析工況對左懸置本體支架進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，分析結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯鹤髴抑帽倔w支架“碗形”口附近存在明顯應(yīng)力集中，最大應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度，存在失效風(fēng)險。

圖6 左懸置本體支架強(qiáng)度分析結(jié)果

從圖7中可以看出：左懸置本體支架原結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋1、2、3的高度低于端面A，加強(qiáng)筋4、5的高度低于端面B，加強(qiáng)筋的作用無法充分發(fā)揮。同時，左懸置本體支架應(yīng)力最大位置由于開設(shè)減重槽，存在截面突變。為降低左懸置本體支架的應(yīng)力水平，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下優(yōu)化：

(1)提高加強(qiáng)筋1、3的高度至端面A，提高加強(qiáng)筋4、5的高度至端面B；

(2)在設(shè)計空間允許范圍內(nèi)，在加強(qiáng)筋2所示位置設(shè)計一條加強(qiáng)肋；

(3)減小應(yīng)力集中位置減重槽的尺寸，同時對其表面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行圓滑過渡。

圖7 左懸置本體支架原結(jié)構(gòu)

左懸置本體支架優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的左懸置本體支架結(jié)構(gòu)

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后強(qiáng)度分析與試驗應(yīng)力采集

5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后強(qiáng)度分析

對優(yōu)化后的左懸置本體支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，左懸置本體支架應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 左懸置本體支架優(yōu)化后強(qiáng)度分析

左懸置本體支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最大應(yīng)力由142 MPa降低至80 MPa，同時可以看出：最大應(yīng)力位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更加均勻，加強(qiáng)筋上受力更加明顯，應(yīng)力集中程度緩解。

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力采集

為進(jìn)一步驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，同時對有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)優(yōu)化后的左懸置本體支架結(jié)構(gòu)開發(fā)模具，做出左懸置本體支架實件，裝車后在整車SUV耐久試驗場進(jìn)行應(yīng)力采集。左懸置本體支架貼片位置如圖10所示。

圖10 貼片位置

試驗測得6、7、8號點應(yīng)力較高，與有限元仿真應(yīng)力的分布趨勢一致，應(yīng)力的時域信號如圖11所示。其中，左懸置本體支架8號位置最大應(yīng)力為86.2 MPa，試驗最大應(yīng)力位置與仿真最大應(yīng)力位置吻合，仿真應(yīng)力值與試驗應(yīng)力值誤差為6.9%，這表明，有限元仿真分析結(jié)果的精確性較高。

圖11 試驗應(yīng)力時域信號

6 結(jié)論

(1)以某款SUV車型動力總成懸置支架為例，通過試驗采集動力總成懸置的加速度，制定了基于整車耐久試驗路況的動力總成懸置支架強(qiáng)度分析工況。

(2)根據(jù)左懸置本體支架與周邊零部件的實際裝配關(guān)系，建立了能夠準(zhǔn)確反映支架受力的有限元仿真分析模型，提高了有限元仿真分析的精度。

(3)通過對左懸置本體支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，支架應(yīng)力水平明顯降低。對比試驗應(yīng)力采集結(jié)果與有限元仿真分析結(jié)果，驗證了有限元仿真分析模型的合理性及仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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StrengthSimulationandStructureOptimizationofthePowertrainMountBracketBasedonVehicleDurabilityRoadCase

LIU Bo1,2, ZHANG Xiaodong1,2, ZHAO Sai1,2,WANG Jun1,2, LI Zhiqiang1,2

(1.Research amp; Development Center, Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding Hebei 071000,China； 2.The Automobile Engineering Technology amp; Research Center of Hebei Province, Baoding Hebei 071000,China)

The simulation analysis of automobile parts can reduce the development period, which is the development direction for automobile design at present. To improve the simulation precision of the powertrain mount strength , the finite analysis subcases were determined based on the acceleration of durability road case, and the finite simulation model was built according the real assemble condition, which could reflect the real force condition of the powertrain mount. The structure optimization was conducted on the basis of strength analysis. After optimization, the maximum stress decreased significantly compared with that of prior structure. And last, the simulation precision was verified through the stress acquisition test.

Powertrain mount bracket; Durability; Simulation; Strength; Structure optimization

TH122

A

1674-1986(2017)11-027-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.006

2017-07-19

劉博(1984—)，男，大學(xué)本科，研究方向為底盤強(qiáng)度與耐久分析。E-mail:liubo@gwm.cn。