董志遠(yuǎn)　蒙世崇

【摘 要】隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于汽車(chē)零部件建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。AltairHyperMesh軟件是一種高性能有限單元前后處理器，讓工程師在平凡交互及可視化的環(huán)境下驗(yàn)證各種設(shè)計(jì)條件。AltairHyperMesh可以支持直接輸入CAD幾何模型和已有的有限元模型，減少重復(fù)性的工作。它先進(jìn)的后處理工具保證形象地表現(xiàn)復(fù)雜的仿真結(jié)果。文章結(jié)合CN100V車(chē)型懸置支架分析案例對(duì)模態(tài)、動(dòng)剛度、強(qiáng)度進(jìn)行介紹，為懸置支架設(shè)計(jì)問(wèn)題提供借鑒與幫助。

【關(guān)鍵詞】CAE有限元分析;AltairHypermesh分析;發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架

【中圖分類號(hào)】U464.13 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）11-0033-03

當(dāng)前，中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展迅速與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展有著密切的關(guān)聯(lián)，在車(chē)身零部件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中，一些計(jì)算設(shè)計(jì)輔助軟件起到了非常大的作用。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，例如UG、CAD、AltairHypermesh等。文章結(jié)合CN100V車(chē)型的一些零部件的設(shè)計(jì)布置與分析，我們總結(jié)出了一些方式和經(jīng)驗(yàn)：①懸置支架設(shè)計(jì)位置布置;②模態(tài)分析方法;③動(dòng)剛度分析方法與結(jié)果;④強(qiáng)度分析方法與結(jié)果。

1 懸置支架設(shè)計(jì)位置布置

懸置位置及數(shù)量的選擇：根據(jù)動(dòng)力總成的安裝方式、用途、質(zhì)量、長(zhǎng)度和機(jī)艙空間等決定。懸置系統(tǒng)可以有三、四點(diǎn)懸置，大多在汽車(chē)上使用三點(diǎn)和四點(diǎn)懸置系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大時(shí)，如果懸置點(diǎn)的數(shù)量過(guò)多，當(dāng)車(chē)身地盤(pán)架變形后，有的懸置點(diǎn)會(huì)有錯(cuò)位現(xiàn)象，會(huì)對(duì)懸置支架或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大而造車(chē)損壞。三點(diǎn)模式的懸置與車(chē)身地盤(pán)架的適應(yīng)性最佳，因?yàn)槿c(diǎn)模式?jīng)Q定了一個(gè)平面，不受車(chē)身地盤(pán)架變形的影響，并且本身頻率低，對(duì)抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的效果比較優(yōu)秀（如圖1所示）。懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括發(fā)動(dòng)機(jī)支撐架、后橫梁、緩沖塊、懸置支架等。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)底盤(pán)之間，用于支撐動(dòng)力總成和隔離減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)能量向底盤(pán)車(chē)身傳播為目的的隔振系統(tǒng)。設(shè)計(jì)合理的懸置系統(tǒng)可以明顯地降低汽車(chē)動(dòng)力總成和車(chē)體振動(dòng)，改善汽車(chē)的乘坐舒適型，并且還可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)與其他部件的使用壽命。設(shè)計(jì)前，我們依然根據(jù)提前得出的懸置支架邊界條件，認(rèn)真地對(duì)邊界條件進(jìn)行反復(fù)的研究，確定方向，對(duì)邊界條件自主設(shè)計(jì)懸置支架的任務(wù)是具有挑戰(zhàn)性的，要考慮的因素較多，零件使用3DNX.UG-10.0軟件建模設(shè)計(jì)出來(lái)后，要考慮和確認(rèn)零件的制造、裝配、成型、焊接、強(qiáng)度、工藝性等。設(shè)計(jì)懸置的邊界條件，我們以三點(diǎn)式懸置布置設(shè)計(jì)舉例。對(duì)于產(chǎn)品而言，最重要的還是性能，但性能怎樣才能優(yōu)質(zhì)？我們可以通過(guò)有限元分析各項(xiàng)性能指標(biāo)判斷，不斷地分析、更改，循環(huán)工作，直到設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)為止。

2 模態(tài)分析方法

下面以CN100V發(fā)動(dòng)機(jī)懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）創(chuàng)建零件材料。選擇各向同性的材料卡片MAT1，彈性模量為2.1e5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.9e-9 T/mm3。

（2）創(chuàng)建零件屬性。對(duì)于殼單元，建立的屬性卡片為PSHELL，在PSHELL卡片力輸入材料的厚度。

（3）創(chuàng)建連接。對(duì)螺栓安裝孔建立reb2連接，同時(shí)建立加載點(diǎn)conm2單元。

（4）創(chuàng)建約束。對(duì)8個(gè)安裝空約束6個(gè)方向自由度。

（5）創(chuàng)建模態(tài)分析載荷。建立模態(tài)分析卡片eigrl，輸入需要計(jì)算的最高模態(tài)頻率。

（6）創(chuàng)建模態(tài)分析步和設(shè)置。建立模態(tài)分析步（normal modes），分別選擇約束載荷和模態(tài)提取卡片，分析類型設(shè)置：sol=103模態(tài)分析，參數(shù)設(shè)置：post=-1，輸出設(shè)置OUTPUT：DISPLACEMENT=ALL;ESE=ALL。

（7）查看結(jié)果。通過(guò)hyperview打開(kāi)輸出的OP2文件即可查看模態(tài)計(jì)算結(jié)果（如圖2所示）。

在CAE工程技術(shù)領(lǐng)域模態(tài)分析，Hypermesh最顯著的特點(diǎn)是它所具有的很大的有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格前處理功能。按理說(shuō)，工程師70%的時(shí)間都花費(fèi)在有限元模型的CAE分析建立上或修改、劃分網(wǎng)格上。而真正的分析求解時(shí)間是浪費(fèi)在計(jì)算機(jī)服務(wù)器上。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)支架是動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的功能件和安全件，我們要滿足汽車(chē)在各種行駛工作狀況下的強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的約束模態(tài)對(duì)車(chē)內(nèi)的噪聲影響較大，如設(shè)計(jì)不合理，其懸置支架Ⅰ段固有的頻率太低且處于發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，懸置支架將產(chǎn)生共振，使得車(chē)內(nèi)噪音增大。因此，模態(tài)是懸置支架的重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。對(duì)此，模態(tài)分析也是一個(gè)反復(fù)分析的工作，不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)想要的效果。

3 動(dòng)剛度分析

下面以CN100V發(fā)動(dòng)機(jī)懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）創(chuàng)建頻率卡片。創(chuàng)建freq1卡片，輸入計(jì)算起始頻率、頻率間隔、間隔個(gè)數(shù)。

（2）創(chuàng)建頻域卡片。創(chuàng)建tabled1卡片，定義生成頻域或時(shí)域動(dòng)態(tài)載荷的表格函數(shù)。

（3）創(chuàng)建加載點(diǎn)卡片。創(chuàng)建darea卡片，在激勵(lì)點(diǎn)加載動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)（分別創(chuàng)建3個(gè)，對(duì)3個(gè)方向加載）。

（4）創(chuàng)建聯(lián)合卡片。創(chuàng)建rload1卡片，將darea卡片和tabled1卡片聯(lián)合，形成頻域下的載荷。同樣是創(chuàng)建3個(gè)，分別為X、Y、Z方向。

（5）創(chuàng)建動(dòng)剛度分析步和設(shè)置。創(chuàng)建動(dòng)剛度分析步，freq.resp（modal），分別選擇前面創(chuàng)建的載荷卡片。

（6）結(jié)果查看。使用hypergraph2D打開(kāi)PCH文件，查看輸出的結(jié)果文件。對(duì)速度曲線進(jìn)行處理，計(jì)算mobility值，mobility=V/F=2πf/Kd。

動(dòng)剛度用結(jié)構(gòu)的固有頻率衡量;但動(dòng)作用力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí)，有可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，所以我們要對(duì)零部件進(jìn)行分析，避免共振現(xiàn)象。頻率響應(yīng)分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)動(dòng)力特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)破壞，是計(jì)算線形結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)的方式。當(dāng)然也要考慮動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛度的匹配原則。

用后橫梁零部件模擬各種工況進(jìn)行約束和分析結(jié)果如圖3所示。對(duì)零部件進(jìn)行加載點(diǎn)與頻率的模擬，從而利用軟件分析出零部件在各工況下的結(jié)果。

4 強(qiáng)度分析與結(jié)果

車(chē)身在使用中承擔(dān)著各種載荷，在這期間，要求車(chē)身應(yīng)能完成作為結(jié)構(gòu)體的承載功能作用。因此，轎車(chē)車(chē)身使用時(shí)既不能產(chǎn)生塑性變形，也不能產(chǎn)生裂紋和損壞，這就要求車(chē)身應(yīng)具有必要的強(qiáng)度。

下面以CN100V發(fā)動(dòng)機(jī)懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）卡片設(shè)置。創(chuàng)建應(yīng)力點(diǎn)，“Shift+F4”移動(dòng)應(yīng)力點(diǎn)放在相應(yīng)的位置，對(duì)螺栓安裝孔建立RBE2連接，將加載點(diǎn)與應(yīng)力點(diǎn)連接選擇移動(dòng)到應(yīng)力點(diǎn)，創(chuàng)建約束，約束相應(yīng)的螺栓安裝孔點(diǎn)，對(duì)應(yīng)力點(diǎn)創(chuàng)建加載，可以選擇分力或合力。

（2）創(chuàng)建零件材料。選擇各向同性的材料卡片MAT1，彈性模量為2.1e5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.9e-9 T/mm3。

（3）分析步和設(shè)置。創(chuàng)建屬性文件附于零件材料2D網(wǎng)格上。

（4）輸出設(shè)置。編輯屬性輸出設(shè)置，NODE FILE→U? ?EL FILE→S，創(chuàng)建強(qiáng)度分析步，分別選擇前面創(chuàng)建的載荷卡片。

（5）分析步和設(shè)置。點(diǎn)擊loadcols選擇約束和加載力卡片，點(diǎn)擊outputblocks選擇輸出卡片編輯屬性。

（6）查看設(shè)置結(jié)果。導(dǎo)出文件XXX.inp文件，雙擊XXX.inp文件搜索error檢查文件，如沒(méi)問(wèn)題會(huì)在aaa.sta文件里顯示SUCCESSFULLY，在指定的文件夾創(chuàng)建記事本（a.bat）編輯輸入代碼，aaa為文件名，雙擊（a.bat）系統(tǒng)自動(dòng)用Abaqus進(jìn)行計(jì)算求解，得出aaa.odb。

（7）查看結(jié)果。選擇類型S-Stress components和選擇算法Simple屬性，點(diǎn)擊APPLY查看結(jié)果。

眾所周知，一個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是支撐它壽命的重要因素之一，也是對(duì)于汽車(chē)重要零部件相當(dāng)關(guān)鍵的一個(gè)考核指標(biāo)。圖4對(duì)零部件進(jìn)行加載點(diǎn)與應(yīng)力點(diǎn)的模擬，對(duì)各方向模擬施加一定的力，從而利用軟件分析出零部件在各工況下顯示出最薄弱的區(qū)域，圖5中紅色部分在工作中最薄弱。重新回到設(shè)計(jì)階段，對(duì)零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化工作。例如，更改零件材料、更改零部件狀態(tài)等。

5 結(jié)語(yǔ)

基于Hypermesh軟件對(duì)懸置支架的分析、模態(tài)、動(dòng)剛度、強(qiáng)度，本文通過(guò)對(duì)后懸置支架分析過(guò)程和結(jié)果判斷零部件的適用性，得出的結(jié)果給設(shè)計(jì)指明了方向，規(guī)避了問(wèn)題發(fā)生，并為新產(chǎn)品及其他車(chē)型的設(shè)計(jì)提供了思路和參考。本文沒(méi)有過(guò)多地提供數(shù)據(jù)說(shuō)明，只提供了一個(gè)過(guò)程與方法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉祖斌，劉英杰.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置設(shè)計(jì)中的動(dòng)、靜剛度參數(shù)研究[J].汽車(chē)技術(shù)，2008（6）.

[2]李建康，鄭立輝，宋向榮.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)動(dòng)剛度模態(tài)分析[J].汽車(chē)工程，2009（5）.

[3]宋向榮，靳永軍，李建康.基于動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)計(jì)算模型及模態(tài)驗(yàn)證[J].噪聲與振動(dòng)控制，2010（4）.