基于整車耐久試驗路況的動力總成懸置支架強度仿真分析與結構優化

劉博，張曉東，趙賽，王俊，李志強

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

基于整車耐久試驗路況的動力總成懸置支架強度仿真分析與結構優化

劉博1,2，張曉東1,2，趙賽1,2，王俊1,2，李志強1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

在整車開發前期對汽車零部件進行仿真分析，能夠縮短整車開發周期，是現在汽車設計發展的趨勢。為提高有限元仿真分析精度，基于整車耐久試驗路況制定了動力總成懸置支架的強度分析工況，并根據懸置支架與周邊件的實際裝配關系建立能夠準確反映懸置支架受力的有限元模型。根據有限元仿真分析結果，對動力總成懸置支架進行了結構優化。結構優化后，懸置支架的應力水平明顯降低，并通過應力采集試驗驗證了有限元仿真分析結果的準確性。

動力總成懸置支架；耐久；仿真；強度；結構優化

0 引言

動力總成懸置支架是動力總成懸置系統中核心的支撐部件，其主要功能是為發動機提供支撐和定位，避免發動機在各方向運動時與周邊零部件發生干涉或碰撞，同時隔離發動機自身及不平路面傳遞的振動[1]。隨著汽車設計向著大扭矩、輕型化、經濟化方向發展，不斷采用小型、大功率發動機和輕量化的汽車材料使動力總成懸置的設計面臨更多的問題[2-3]。

文中以某款SUV車型為例，基于耐久試驗路況制定了動力總成懸置支架的強度仿真分析工況，采用有限元仿真方法完成動力總成懸置支架結構設計階段的風險識別與結構優化，為后期懸置系統的開發積累經驗指導。

1 問題描述

某款SUV車型動力總成懸置采用三點布置，左懸置支架通過4個螺栓與機艙左縱梁連接，并通過一系列裝配關系對動力總成起到支撐作用。左懸置本體支架材質為A380鑄鋁，屈服強度160 MPa。當動力總成上、下顛簸時，左懸置本體支架“碗形”口內Z向受力較大，此時左懸置本體支架的受力形式類似于懸臂梁結構(如圖1所示)，其根部易產生應力集中，存在失效風險。

動力總成懸置支架經典工況與實車耐久路況存在差異，無法準確反映動力總成懸置支架實際受力。為有效識別懸置支架的結構設計風險，有必要測試實車耐久路況下動力總成的加速度，制定針對耐久試驗路況的動力總成懸置支架強度分析工況，以提高有限元仿真分析精度，為懸置支架的結構設計提供參考。

2 動力總成懸置強度分析工況的制定

2.1 懸置加速度的采集

當前技術條件下，動力總成質心加速度無法直接獲取。通過在整車耐久試驗路況下測試動力總成其他位置的加速度，然后采用剛體運動合成定理，可間接得出動力總成質心的三向加速度，制定基于耐久試驗路況的動力總成懸置支架強度分析工況。

分別在左、右、后懸置所在位置粘貼三向加速度傳感器，如圖2所示。加速度傳感器粘貼的位置均與動力總成剛性連接，且未經橡膠隔振。在整車耐久試驗場分別測量動力總成懸置各個路面的加速度時域信號。

圖2 加速度傳感器粘貼位置

2.2 動力總成質心加速度的獲取

測得左、右、后懸置的加速度時域信號，根據剛體運動合成定理，可列出關于動力總成質心加速度與左、右、后懸置加速度之間的加速度分量的合成方程，如式(1)所示[2]：

B·Ac=Api

(1)

(2)

式中：Ac為動力總成質心的加速度矢量；Api為動力總成懸置的加速度矢量；B為與測點位置相關的轉換矩陣。

在nCode軟件中，根據上述方程搭建求解動力總成質心加速度的流程，如圖3所示。以動力總成懸置的加速度作為輸入，求解得到動力總成質心的加速度，各向加速度時域信號如圖4所示。

圖3 動力總成質心加速度求解流程圖

圖4 動力總成質心加速度時域信號

分別提取圖4中動力總成質心加速度在X、Y、Z向取得極值時的加速度值，作為動力總成懸置支架的強度分析工況。

3 動力總成懸置支架強度建模方法研究

該車型動力總成左懸置本體支架“碗形”口內通過橡膠硫化用于隔振，常用的分析方法是建出左、右、后懸置的系統模型，在動力總成質心施加載荷，同時在懸置本體支架“碗形”口內抓取剛性單元模擬橡膠。該方法造成懸置本體支架“碗形”口部分過于剛硬，與懸置支架的實際受力不符。

根據第2.2節動力總成質心耐久試驗路況下的加速度值，在ADAMS軟件中建立動力總成懸置系統多體模型，在動力質心施加載荷，通過載荷分解方法可以獲取左懸置襯套彈性中心位置的載荷。

根據左懸置本體支架與周邊件的實際裝配關系，在有限元軟件中建立左懸置本體支架的強度分析模型，如圖5所示。該方法可以有效避免前述左懸置本體支架過于剛硬問題。

圖5 左懸置本體支架強度分析模型

4 有限元分析結果與結構優化

采用第2.2節動力總成懸置強度分析工況對左懸置本體支架進行強度仿真分析，分析結果如圖6所示。可以看出：左懸置本體支架“碗形”口附近存在明顯應力集中，最大應力接近材料屈服強度，存在失效風險。

圖6 左懸置本體支架強度分析結果

從圖7中可以看出：左懸置本體支架原結構中加強筋1、2、3的高度低于端面A，加強筋4、5的高度低于端面B，加強筋的作用無法充分發揮。同時，左懸置本體支架應力最大位置由于開設減重槽，存在截面突變。為降低左懸置本體支架的應力水平，對其結構進行如下優化：

(1)提高加強筋1、3的高度至端面A，提高加強筋4、5的高度至端面B；

(2)在設計空間允許范圍內，在加強筋2所示位置設計一條加強肋；

(3)減小應力集中位置減重槽的尺寸，同時對其表面結構特征進行圓滑過渡。

圖7 左懸置本體支架原結構

左懸置本體支架優化后的結構如圖8所示。

圖8 優化后的左懸置本體支架結構

5 結構優化后強度分析與試驗應力采集

5.1 結構優化后強度分析

對優化后的左懸置本體支架結構進行強度仿真分析，左懸置本體支架應力云圖如圖9所示。

圖9 左懸置本體支架優化后強度分析

左懸置本體支架結構優化后，最大應力由142 MPa降低至80 MPa，同時可以看出：最大應力位置發生轉移，與優化前結構相比，優化后的結構應力分布更加均勻，加強筋上受力更加明顯，應力集中程度緩解。

5.2 結構優化后應力采集

為進一步驗證結構設計的合理性，同時對有限元仿真分析結果進行標定，根據優化后的左懸置本體支架結構開發模具，做出左懸置本體支架實件，裝車后在整車SUV耐久試驗場進行應力采集。左懸置本體支架貼片位置如圖10所示。

圖10 貼片位置

試驗測得6、7、8號點應力較高，與有限元仿真應力的分布趨勢一致，應力的時域信號如圖11所示。其中，左懸置本體支架8號位置最大應力為86.2 MPa，試驗最大應力位置與仿真最大應力位置吻合，仿真應力值與試驗應力值誤差為6.9%，這表明，有限元仿真分析結果的精確性較高。

圖11 試驗應力時域信號

6 結論

(1)以某款SUV車型動力總成懸置支架為例，通過試驗采集動力總成懸置的加速度，制定了基于整車耐久試驗路況的動力總成懸置支架強度分析工況。

(2)根據左懸置本體支架與周邊零部件的實際裝配關系，建立了能夠準確反映支架受力的有限元仿真分析模型，提高了有限元仿真分析的精度。

(3)通過對左懸置本體支架進行結構優化，支架應力水平明顯降低。對比試驗應力采集結果與有限元仿真分析結果，驗證了有限元仿真分析模型的合理性及仿真分析結果的準確性。

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[4]YANG X B.Powertrain Mount Loads Prediction and Sensitivity Analyses[R].SAE Paper 2004-01-1691,2004.

StrengthSimulationandStructureOptimizationofthePowertrainMountBracketBasedonVehicleDurabilityRoadCase

LIU Bo1,2, ZHANG Xiaodong1,2, ZHAO Sai1,2,WANG Jun1,2, LI Zhiqiang1,2

(1.Research amp; Development Center, Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding Hebei 071000,China； 2.The Automobile Engineering Technology amp; Research Center of Hebei Province, Baoding Hebei 071000,China)

The simulation analysis of automobile parts can reduce the development period, which is the development direction for automobile design at present. To improve the simulation precision of the powertrain mount strength , the finite analysis subcases were determined based on the acceleration of durability road case, and the finite simulation model was built according the real assemble condition, which could reflect the real force condition of the powertrain mount. The structure optimization was conducted on the basis of strength analysis. After optimization, the maximum stress decreased significantly compared with that of prior structure. And last, the simulation precision was verified through the stress acquisition test.

Powertrain mount bracket; Durability; Simulation; Strength; Structure optimization

TH122

A

1674-1986(2017)11-027-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.006

2017-07-19

劉博(1984—)，男，大學本科，研究方向為底盤強度與耐久分析。E-mail:liubo@gwm.cn。