韋健，曾桂芬，王振東

（廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545006）

引言

汽車(chē)副車(chē)架是連接車(chē)身與底盤(pán)的重要部件，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)懸置點(diǎn)也安裝在副車(chē)架上。蝶型副車(chē)架形似一個(gè)封閉的盒子，容易讓發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲放大，所以，汽車(chē)副車(chē)架必須要具備很高的NVH性能[1]。通常提高副車(chē)架懸置點(diǎn)動(dòng)剛度的方法有增加板厚、增加懸置加強(qiáng)板等，雖然快速有效，但卻增加了不必要的制造成本，造成材料除了剛度外其他性能的過(guò)剩。那么，在不大幅增加板件尺寸重量的前提下，要提高副車(chē)架的動(dòng)剛度性能，就需要對(duì)面積大的板件進(jìn)行起筋，即形貌優(yōu)化[1-3]。本文介紹的優(yōu)化方法是利用HyperMesh_ OptiStruct模塊對(duì)副車(chē)架上片進(jìn)行形貌優(yōu)化，并對(duì)比優(yōu)化前后懸置點(diǎn)動(dòng)剛度水平，驗(yàn)證優(yōu)化方法的有效性[4]。

1 副車(chē)架模型簡(jiǎn)介

蝶形副車(chē)架通常由上片、下片、前安裝支架、擺臂安裝支架、縱向加強(qiáng)板等板件組成，其中尺寸最大的是上片和下片。發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置通常安裝在上片和下片中間位置。

優(yōu)化前的模型準(zhǔn)備工作如下：

在HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鈑金件、焊縫畫(huà)3mm殼單元網(wǎng)格，實(shí)體件畫(huà)3mm的C3D4單元網(wǎng)格；賦予板件材料屬性，其中彈性模量為210000MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-09 t/mm3，屈服強(qiáng)度為305MPa；在副車(chē)架的四個(gè)安裝孔和發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置安裝孔創(chuàng)建reb2剛性耦合；創(chuàng)建一個(gè)載荷集“SPC”，約束副車(chē)架四個(gè)安裝點(diǎn)的6個(gè)自由度；將懸置安裝孔的耦合中心的節(jié)點(diǎn)號(hào)命名為1。

另外，如果副車(chē)架板面有起筋或者凸起，建議先去掉起筋凸起，保持板面平整，以便形貌優(yōu)化時(shí)尋找最優(yōu)起筋方式。

圖1 蝶形副車(chē)架模型

2 動(dòng)剛度計(jì)算方法

在進(jìn)行優(yōu)化前，先備份一個(gè)模型，計(jì)算懸置點(diǎn)的初始動(dòng)剛度。動(dòng)剛度的計(jì)算公式如下：

由公式可知，求取動(dòng)剛度，要求解頻率f和加速度a的值，在軟件中需要設(shè)置頻率加速度響應(yīng)。

這里介紹HyperMesh_OptiStruct模塊里的頻率響應(yīng)設(shè)置工具，利用這個(gè)工具可以快速進(jìn)行動(dòng)剛度設(shè)置。操作如下：

A.進(jìn)入Tool--Freq Resp Process--Unit input frequency response工具界面；選擇Modal Frequency Response，即模態(tài)頻率響應(yīng)；B.設(shè)置起止模態(tài)頻率；選擇響應(yīng)點(diǎn)，這里的響應(yīng)點(diǎn)就是懸置安裝孔的耦合中心點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)號(hào)為1），然后勾選XYZ三個(gè)單位載荷加載方向；C.設(shè)置輸出文件類(lèi)型，這里只需輸出pch文件；D.更新分析步的邊界約束，即關(guān)聯(lián)“SPC”載荷集。

求取出的動(dòng)剛度值如表1：

表1 懸置點(diǎn)初始動(dòng)剛度 剛度N/mm

3 形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置

在計(jì)算動(dòng)剛度的模型基礎(chǔ)上，保留懸置點(diǎn)Z向加速度頻率響應(yīng)分析步，名稱(chēng)為“FRAUL_Subcase_Frc_1_Z”。另外，需要新建一個(gè)模態(tài)分析步“Mode”，作為頻率響應(yīng)及目標(biāo)的設(shè)置對(duì)象，模態(tài)求解的頻率范圍為50-400Hz。

進(jìn)入Analysis--Optimization面板--topography功能，創(chuàng)建一個(gè)形貌優(yōu)化任務(wù)，對(duì)象為副車(chē)架上片和下片；設(shè)置起筋寬度6mm，起筋角度60度，起筋高度8mm；筋條走向pattern grouping選項(xiàng)暫不設(shè)置；在bounds選項(xiàng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)限制，Upper Bound=1，Lower Bound=0，這里UB=節(jié)點(diǎn)移動(dòng)上限/起筋高度。

完成形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置，下面進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)設(shè)定。

4 響應(yīng)/約束/目標(biāo)設(shè)定

由動(dòng)剛度公式K=（2πf）2/a可知，響應(yīng)點(diǎn)的加速度越小，則剛度值越大。優(yōu)化的原理就是約束響應(yīng)點(diǎn)的大加速度值，得到動(dòng)剛度最低值的最大化效果。

響應(yīng)設(shè)置：進(jìn)入Analysis—Optimization—responses，創(chuàng)建一個(gè)名為“Acc”的響應(yīng)，響應(yīng)類(lèi)型frf acceleration（加速度），選擇magnitude（量級(jí)），響應(yīng)點(diǎn)nodes選擇懸置安裝孔的耦合中心點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)號(hào)為1），方向選擇dof3，即Z向；再次創(chuàng)建一個(gè)名為“freq”的響應(yīng)，響應(yīng)類(lèi)型為frequency（頻率），模態(tài)階數(shù)Mode Number填寫(xiě)1階。

約束設(shè)置：在Analysis—Optimization—dconstraints界面，創(chuàng)建一個(gè)名為“Acc”的約束，約束的響應(yīng)選擇“Acc”響應(yīng)，勾選最大值upper bound=1000，載荷步Loadsteps選擇“FRAUL_Subcase_Frc_1_Z”分析步。

目標(biāo)設(shè)置：進(jìn)入Analysis—Optimization—objective，目標(biāo)類(lèi)型選擇Max，目標(biāo)響應(yīng)選擇“freq”，載荷步Loadstep選擇“Mode”，意思是一階模態(tài)值最大化，即剛度最大化。

5 讀取形貌優(yōu)化結(jié)果

提交計(jì)算后，用HyperView打開(kāi)h3d結(jié)果文件，得到的起筋結(jié)果如下：

圖2 形貌優(yōu)化結(jié)果

從中我們可以讀取副車(chē)架上片的起筋走向，如圖3標(biāo)出來(lái)的四個(gè)區(qū)域：

圖3 讀取起筋走向

6 副車(chē)架起筋

我們可以先在HyperMesh進(jìn)行簡(jiǎn)單地起筋，然后計(jì)算懸置點(diǎn)動(dòng)剛度，查看動(dòng)剛度水平是否有提升。若是起筋能提高動(dòng)剛度，再將優(yōu)化建議交給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師完成副車(chē)架的起筋。

這里我們對(duì)圖3中的2、3區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單起筋，利用HyperMesh的translate工具即可完成。

完成簡(jiǎn)單起筋，再次計(jì)算懸置點(diǎn)動(dòng)剛度，得到的結(jié)果如下表2所示：

表2 形貌優(yōu)化后懸置點(diǎn)動(dòng)剛度 剛度N/mm

對(duì)比表1，懸置點(diǎn)最低平均值為Z向的2248，稍微下降了一點(diǎn)；而動(dòng)剛度最低值由765N/mm提升至842N/mm，有小幅提升?？梢酝茢?，對(duì)整個(gè)上下片進(jìn)行起筋優(yōu)化，將會(huì)大幅提升懸置的動(dòng)剛度水平。

7 結(jié)語(yǔ)

本文講述了利用Optistruct的形貌優(yōu)化功能，對(duì)副車(chē)架上片進(jìn)行簡(jiǎn)單的起筋優(yōu)化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度最低值提升了10%，驗(yàn)證了形貌優(yōu)化方法的有效性。從優(yōu)化結(jié)果可以得出：利用Optistruct形貌優(yōu)化技術(shù)，可以大幅減少鈑金件的尺寸重量，從而節(jié)省制造成本，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。