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汽車懸置支架是汽車動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部件，起著支撐發(fā)動(dòng)機(jī)，阻隔發(fā)動(dòng)機(jī)向車架傳遞振動(dòng)的作用。懸置支架強(qiáng)度不足，在部分工況下會(huì)造成懸置支架斷裂，嚴(yán)重影響安全。同時(shí)，在懸置系統(tǒng)中，懸置支架質(zhì)量大，成本高。因此，對(duì)懸置支架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既需要滿足各種工況下的強(qiáng)度要求，又要做到節(jié)省材料，降低成本。本文中以汽車懸置支架靜態(tài)多工況下的柔度和動(dòng)態(tài)振動(dòng)固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)汽車懸置支架進(jìn)行多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析。基于變密度的拓?fù)鋬?yōu)化方法，采用多剛度和平均頻率拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化得到同時(shí)滿足靜態(tài)柔度最小和低階頻率最大要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，避免了單目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化無法獲得全局最優(yōu)解的缺點(diǎn)。以某轎車的懸置支架為分析對(duì)象，利用Nastran軟件計(jì)算得到懸置支架的應(yīng)力大小、分布云圖以及模態(tài)分布云圖，在此基礎(chǔ)上對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的懸置支架采用密度法材料插值模型，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)出符合強(qiáng)度要求和減少材料的結(jié)構(gòu)。
采用Hypermesh軟件對(duì)整個(gè)懸置支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為二階四面體單元。懸置支架為鑄鋁件，材料為AlSi9Cu3；螺栓為鑄鐵件，材料為ZG340-640；兩材料屬性見表。通過對(duì)懸置系統(tǒng)載荷工況的分析，得出懸置支架強(qiáng)度的載荷工況。在懸置支架上施加集中載荷，對(duì)螺栓連接處進(jìn)行全約束，施加的載荷和約束見圖。計(jì)算過程中，為提高計(jì)算精度，將實(shí)體單元和蒙皮單元轉(zhuǎn)為二階，計(jì)算得到懸置支架強(qiáng)度。懸置支架在工況下的最大應(yīng)力為180MPa，超出了材料的屈服強(qiáng)度160MPa，會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象，需對(duì)支架進(jìn)行改進(jìn)。支架在不同工況下的強(qiáng)度，懸置支架的應(yīng)力分布云圖見圖。
進(jìn)行支架分析所用的前處理器軟件為Hypermesh、Optistruct和Nastran作為求解器，利用Hyperview進(jìn)行后處理。首先對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的懸置支架進(jìn)行改進(jìn)，滿足強(qiáng)度和模態(tài)要求，在此基礎(chǔ)上合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使支架應(yīng)力分布更加均勻，降低支架的最大應(yīng)力，達(dá)到減少材料的目標(biāo)。拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，先確定支架的優(yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域。優(yōu)化區(qū)域作為拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)，要考慮零件的安裝邊界。由于該支架通過3個(gè)螺栓固定在變速箱上，所以螺栓連接處為非優(yōu)化區(qū)域，其余部分為優(yōu)化區(qū)域，如圖所示。多工況下的剛度拓?fù)鋬?yōu)化問題通常稱作為多剛度拓?fù)鋬?yōu)化問題。每一個(gè)工況對(duì)應(yīng)一個(gè)剛度的最優(yōu)結(jié)構(gòu)拓?fù)洌话銇碚f，不同的載荷工況將得到不同的結(jié)構(gòu)拓?fù)洹２捎谜壑砸?guī)劃法研究多工況拓?fù)鋬?yōu)化問題。通常把剛度最大問題等效為柔度最小問題來研究，柔度則用應(yīng)變能來定義。
動(dòng)態(tài)固有頻率拓?fù)鋬?yōu)化將低階的幾階重要頻率的最大化作為目標(biāo)函數(shù)，并將結(jié)構(gòu)體積作為約束函數(shù)。采用平均頻率公式來定義固有頻率拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。結(jié)構(gòu)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化是以體積作為約束，同時(shí)考慮靜態(tài)多剛度目標(biāo)和動(dòng)態(tài)振動(dòng)頻率目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化。由折衷規(guī)劃法結(jié)合平均頻率法可得到多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的綜合目標(biāo)函數(shù)，用來消除量剛。本文中的拓?fù)鋬?yōu)化方法采用的是變密度法，優(yōu)化區(qū)域確定后，需確定目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)，即響應(yīng)函數(shù)。本次優(yōu)化中，需要考慮質(zhì)量、柔度和應(yīng)力等響應(yīng)。加權(quán)柔度中，選擇用來優(yōu)化的載荷步；體積分?jǐn)?shù)設(shè)定的對(duì)象為設(shè)計(jì)空間集合，所以本次優(yōu)化的函數(shù)如下：優(yōu)化目標(biāo)：加權(quán)柔度最小，頻率600Hz優(yōu)化約束：優(yōu)化區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)<45%優(yōu)化過程中，由于原模型部分強(qiáng)度超過材料的屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度不滿足要求。針對(duì)初步處理的模型，進(jìn)行材料填充，重新建模。進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，設(shè)定設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化響應(yīng)和優(yōu)化目標(biāo)等參數(shù)后，通過迭代計(jì)算，可得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。經(jīng)過27步迭代后，得到模型，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)懸置支架模型進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)重新設(shè)計(jì)的懸置支架方案進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到優(yōu)化后模型。
為了對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與原方案進(jìn)行全面比較，對(duì)優(yōu)化后的支架進(jìn)行同工況的強(qiáng)度分析，應(yīng)力模態(tài)云圖見圖。優(yōu)化前后支架分析結(jié)果見表。由表可知，各工況下，優(yōu)化后的支架能滿足強(qiáng)度和模態(tài)頻率(不小于600Hz)要求，同時(shí)優(yōu)化后材料比原材料減少12%，可見拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)效果比較明顯。基于變密度的拓?fù)鋬?yōu)化方法，采用多剛度和平均頻率拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，通過對(duì)懸置支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可在允許的設(shè)計(jì)空間里合理布置材料，以最少材料獲得較優(yōu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本文中支架的優(yōu)化方法和支架強(qiáng)度的分析方法對(duì)動(dòng)力總成懸置支架設(shè)計(jì)提供了前期的計(jì)算分析，減少了懸置支架的開發(fā)周期。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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