摘要：發(fā)動機ECU支架主要用于安裝和固定發(fā)動機ECU，確保ECU在車輛行駛過程中不會受到外部振動和沖擊的影響，因此ECU支架設計的合理性非常重要。以某車型ECU支架為研究對象，應用Hypermesh進行前處理，Nastran軟件作為求解器，對ECU支架進行頻率響應分析，結果顯示支架在40.16 Hz時構件最大應力達到459.1 MPa，遠超材料的屈服強度，不滿足強度要求。對支架進行結構優(yōu)化設計，對優(yōu)化后的方案進行強度校核，結果顯示：強度滿足要求。該分析方法可以為支架類零件設計提供參考依據。

關鍵詞：ECU支架;頻率響應分析;強度;結構優(yōu)化

中圖分類號：U463 收稿日期：2024-05-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.006

1 前言

ECU是汽車電子控制單元（Electronic Control Unit）的縮寫，是發(fā)動機的控制核心部件，ECU能否可靠工作不僅與自身質量相關，而且與ECU支架的設計緊密相關。發(fā)動機ECU支架主要用于安裝和固定發(fā)動機ECU，確保ECU在車輛行駛過程中不會受到過大的外部振動和沖擊的影響，有助于保護ECU免受損壞，延長ECU壽命，因此ECU支架設計的合理性非常重要。

ECU支架自身必須能夠承受車輛在各種工況下行駛時產生的振動和沖擊。頻率響應分析是結構在簡諧載荷激勵下的動態(tài)響應分析。它是從頻域的角度研究結構的振動性能，從而評估構件是否存在共振破壞的可能性［1］。本文以某車型ECU支架為研究對象，對其進行有限元網格劃分，添加邊界條件，然后施加實測加速度激勵，對支架進行振動強度分析并對其結構進行優(yōu)化。

2 頻率響應分析理論

頻率響應分析主要研究結構在不同頻率的外部激勵下的動態(tài)響應特性，這些響應可以是位移、速度、加速度或應力等物理量，通過測量系統(tǒng)輸出的響應，可以得出系統(tǒng)對不同頻率信號的傳遞函數或頻率響應曲線，通過比較和分析這些響應數據，可以了解結構在不同頻率下的動態(tài)特性，如共振頻率、阻尼比、模態(tài)形狀等，這有助于了解系統(tǒng)在不同頻率下的性能表現。這種分析在涉及振動、沖擊和噪聲控制的領域非常重要。另外，頻率響應分析可以預測結構的動態(tài)性能，從而指導設計參數的調整。

MSC Nastran是一款功能強大的有限元分析軟件，可以準確地模擬結構在復雜載荷下的響應，并為工程師提供詳細的分析結果。在MSC Nastran中，頻率響應分析是一種用于工程設計和分析的重要工具，通過這種分析方法，工程師可以評估結構在不同頻率下的響應情況，從而確定結構在振動和共振方面的性能，能夠幫助工程師更好地了解系統(tǒng)的振動特性，進而優(yōu)化設計方案，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

在MSC Nastran頻率響應分析中，有兩種分析方法，即直接頻率響應分析和模態(tài)頻率響應分析。直接頻率響應通過求解整個模型的阻尼耦合方程，得出各頻率對于外載荷的響應。模態(tài)頻率響應分析是利用結構的模態(tài)振型來對耦合的運動方程進行縮減和解耦，同時由單個模態(tài)響應的疊加得到某一給定頻率下的響應結果［2］。其中模態(tài)響應分析法計算速度比直接頻率響應分析法速度快，并且能夠更精確地捕捉響應峰值，所以本文采用模態(tài)頻率響應法分析法對ECU支架進行分析。

3 有限元模型

3.1 三維模型設計

基于以往設計經驗以及ECU的外輪廓尺寸和重量，采用三維軟件Catia進行ECU支架模型設計，初始ECU支架模型如圖1所示。支架通過2個安裝點與車身連接，并且通過4個安裝點與ECU模塊連接。

3.2 模型建立

有限元分析的第一步是對幾何模型進行網格劃分。首先對支架進行模型的簡化處理，簡化處理可以使網格劃分變得更容易，網格質量變得更好，從而使分析結果更加具有參考價值，因此，可以簡化一些重要程度較低的細節(jié)以提高分析計算的效率。

網格劃分時還需要考慮網格尺寸和單元類型，它們對于有限元分析結果非常關鍵。網格大小需要根據三維模型的大小和形狀等要素進行選擇。網格劃分需要從復雜的部件開始，這樣能有效提高網格劃分效率，劃分的網格與節(jié)點越多，有限元分析就會越準確，但網格與節(jié)點數量過多，有限元分析軟件會進行長時間的劃分，效率降低［3］。有限元分析模型如圖2所示。有限元模型包含發(fā)動機ECU支架部分、部分車架以及ECU本身。其中，ECU支架的車架采用5 mm的殼單元網格，發(fā)動機ECU采用二階四面體單元，通過調整密度的方式對ECU本體進行配重。

3.3 材料參數

鋼材具有高強度和耐久性的優(yōu)點，它能夠承受較大的荷載，保證結構的穩(wěn)定性和安全性，此外，鋼材具有較長的使用壽命，不易受到外界環(huán)境的影響，能夠長期保持良好的性能。本文中的ECU支架材料使用鋼材，具體材料參數如表1所示，車架使用材料DL510，在有限元分析之前，需要將材料參數賦予網格模型中。

3.4 邊界條件及載荷施加

有限元分析中，邊界條件的正確施加對于得到準確的結果至關重要，如果邊界條件施加不當，可能會導致模型的解出現奇異性或不穩(wěn)定性，從而使得計算結果失去物理意義。為了提高分析精度，不能直接以ECU支架在車架上的安裝點作為邊界，需要截取部分車架模型，對截取的車架斷面部位建立RBE2剛性單元，將RBE2單元主節(jié)點進行六自由度全約束，約束如圖3所示。然后對其施加載荷，該載荷通過試驗方式獲取，采集到的真實載荷如圖4所示。

3.5 設置分析參數

本次分析提取的模態(tài)頻率范圍為0～100 Hz，因此模態(tài)求解范圍為0～200 Hz。激勵幅值通過TABLED1卡片進行設置，導入實際測量的X、Y、Z加速度激勵。對X、Y、Z三個方向分別采用1 g加速度進行激勵，并與激勵幅值TABLED1關聯(lián)，即為該模型加載了實際載荷譜。阻尼通過TABDMP1卡片進行設置，阻尼系數為0.05。創(chuàng)建模態(tài)分析步，分析類型選擇正則模態(tài)，在SPC處選擇約束載荷集，在METHOD（STRUCT）處選擇eigrl。創(chuàng)建頻響分析步，分析類型選擇模態(tài)頻率響應（SOL 111），在SPC處選擇spc約束載荷集，在DLOAD處選擇rload2，在METHOD（STRUCT）處選擇eigrl，在FREQ處選擇freqi，在SDAMPING（STRUCT）處選擇tabdmp1，最后定義輸出參數，主要包括位移和應力。

4 強度仿真結果分析

HyperView是Altair HyperWorks軟件平臺中功能非常強大的仿真結果后處理工具，憑借其強大的可視化能力、高效的數據處理和分析功能、靈活的集成能力、用戶友好的操作界面以及高度的可擴展性和定制性，被廣泛應用于工程設計和分析領域，幫助設計者更好地理解和優(yōu)化設計方案，提高工作效率。HyperView主要適用的行業(yè)包括航空航天、汽車制造、機械工程、建筑與城市規(guī)劃等［4］。它不僅能輸出各種結果云圖，還能輸出不同的結果曲線。

NASTRAN求解器是一種廣泛應用于工程領域的有限元分析軟件。它能夠對復雜的結構進行靜力、動力和熱力分析，為工程師提供了強大的計算能力和準確的結果。通過求解結果，可以快速準確地預測結構的行為和性能，為設計和優(yōu)化提供重要的參考依據。因此，NASTRAN求解器在工程實踐中扮演著不可或缺的角色，為設計工程師提供了很大的便利，節(jié)約了時間成本［5-6］。

本文將使用HyperView軟件模塊進行ECU支架的后處理工作。通過將建立的ECU支架CAE有限元模型導出為bdf格式文件，提交給Nastran求解器進行計算，最終得到op2格式的結果文件。利用HyperView軟件讀取op2文件，可以查看各個分析工況下的應力分析結果。

支架在不同頻率下對應的最大應力如圖5所示，由圖可知，支架在40.16 Hz時此構件最大應力為459.1 MPa，位于與車身連接的兩個安裝孔處，遠超材料的屈服強度，因此需要對材料結構進行優(yōu)化設計。

5 優(yōu)化設計及強度校核

5.1 結構優(yōu)化方案

ECU支架強度不滿足要求是比較嚴重的問題，會導致ECU的不穩(wěn)定和安全隱患，所以需要對支架結構進行優(yōu)化設計。通過對支架的材料、尺寸和連接方式等方面進行調整，可以提高支架的強度和穩(wěn)定性，確保其滿足要求［7］。基于整車布置邊界條件及ECU支架本身的結構特征，對ECU支架進行結構優(yōu)化，首先減小中間開孔的大小；其次，降低焊接筋的支撐高度，以降低支架的一階固有頻率；最后刪除原有的沖壓筋結構，因為該筋對結構應力及頻率影響很小。改進后的支架結構如圖6所示。

5.2 優(yōu)化后分析

5.2.1 優(yōu)化后方案強度校核

對ECU支架結構優(yōu)化后，分析參數同前面保持一致，對其重新進行計算，得到的分析結果如圖7所示。此時支架在頻率為24.39 Hz時最大應力為186.2 MPa，小于屈服強度，應力最大值位于與車身連接的兩個安裝孔處，滿足設計要求。

5.2.2 優(yōu)化前后結果對比

原方案與優(yōu)化方案結果分析對比如表2所示，由表可以看出，原方案在頻率為40.16 Hz時最大應力為459.1 MPa，不滿足強度要求。優(yōu)化后方案頻率在24.39 Hz時最大應力為186.2 Hz，滿足強度要求，說明了優(yōu)化后方案的可行性。

6 結語

本文以某車ECU支架為研究對象，采用模態(tài)頻率響應分析方法對ECU支架進行有限元分析，確定初始的支架一階模態(tài)頻率為40.16 Hz，與車架的峰值加速度對應頻率重疊，存在共振現象，強度不能滿足要求，因此支架受力狀況惡化。對ECU支架進行結構優(yōu)化設計，并進行分析，結果表明，支架經優(yōu)化后，一階模態(tài)頻率為24.39 Hz，避開共振，支架應力明顯下降，強度滿足要求，為工程設計人員設計和優(yōu)化方案提供了參考意義。

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