基于HyperWorks的某車(chē)型保險(xiǎn)杠優(yōu)化

陶政

摘 要：本文針對(duì)某新車(chē)型保險(xiǎn)杠開(kāi)發(fā)，在理論分析的基礎(chǔ)上，基于 Altair HyperWorks軟件，給出了優(yōu)化方案并設(shè)計(jì)出一種新型的桁架式結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠。最終，將其一階固有頻率提高到 30Hz以上，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：保險(xiǎn)杠；模態(tài)分析；汽車(chē)

1 引言

保險(xiǎn)杠是吸收沖擊力，防護(hù)車(chē)身前后部的安全裝置。其性能的好壞會(huì)給用戶(hù)直觀的感知，如果設(shè)計(jì)剛度不足，容易在低頻時(shí)產(chǎn)生較大的抖動(dòng)，從而造成疲勞開(kāi)裂。因此在進(jìn)行保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮其剛度要求。在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程中需要對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題。而且在這一階段進(jìn)行改進(jìn)會(huì)導(dǎo)致改動(dòng)空間小、成本高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題。通過(guò) CAE對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，可以在早期對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。本文采用 Altair公司的 HyperMesh軟件對(duì)保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行前處理，并用求解器 OptiStruct進(jìn)行計(jì)算，使用 HyperView進(jìn)行后處理，在設(shè)計(jì)前期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高其一階固有頻率，達(dá)到模態(tài)頻率的設(shè)計(jì)要求，并且設(shè)計(jì)出一種桁架式保險(xiǎn)杠，為設(shè)計(jì)師提供優(yōu)化改進(jìn)的方向和思路。

2 有限元模型的建立

某車(chē)型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中采用金屬保險(xiǎn)杠。希望通過(guò)有限元分析，考查該保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并希望得到優(yōu)化方案。保險(xiǎn)杠總成采用 HyperMesh軟件建立有限元模型，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各零件之間使用 RBE2單元連接，保險(xiǎn)杠上的前燈采用集中質(zhì)量 mass單元代替。

3 模態(tài)分析工況和約束條件

根據(jù)輕型商用車(chē)車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)保險(xiǎn)杠一階固有頻率大于 30Hz時(shí)，不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)和開(kāi)裂問(wèn)題。本文主要分析保險(xiǎn)杠總成約束模態(tài)。約束與車(chē)架相連的螺栓孔全部自由度，計(jì)算有限元模型前 6階模態(tài)頻率和振型。

4 分析結(jié)果

模型求解完畢以后，使用后處理軟件 HyperView 查看保險(xiǎn)杠總成的前六階模態(tài)以及應(yīng)變能。初始方案一階固有頻率為 14.4Hz，不滿(mǎn)足大于 30Hz的要求。由應(yīng)變能云圖可見(jiàn)，與車(chē)架相連的固定支架剛性較低。需要優(yōu)化該保險(xiǎn)杠總成結(jié)構(gòu)。

5 優(yōu)化方案

通過(guò)觀察模態(tài)應(yīng)變能圖，可以發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)杠薄弱的部位。于是對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行了反復(fù)的優(yōu)化。新方案的一階固有頻率提高到 30.1Hz，滿(mǎn)足了模態(tài)要求。雖然新方案滿(mǎn)足了模態(tài)要求，但我們?nèi)韵Ｍ_(kāi)發(fā)一個(gè)重量較低的方案。因此，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了新型的桁架式保險(xiǎn)杠被，該保險(xiǎn)杠采用鋼管骨架結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖 1。表 1為該桁架式保險(xiǎn)杠與原保險(xiǎn)杠的一階固有頻率和質(zhì)量對(duì)比。

6 結(jié)論

本文利用 CAE技術(shù)，模擬計(jì)算了某車(chē)型保險(xiǎn)杠總成初始方案的模態(tài)，并在此方案基礎(chǔ)上進(jìn)行 10輪優(yōu)化，得出了滿(mǎn)足模態(tài)要求的方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)出一種新的桁架式結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠，在一階固有頻率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，質(zhì)量降低了 5.5%，為保險(xiǎn)杠總成的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)的方向和思路，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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