基于發動機懸置支架設計及模態、動剛度、強度分析方法

董志遠　蒙世崇

【摘 要】隨著我國汽車行業與計算機技術的發展，CAE系統的功能和計算精度都有很大提高，各種基于汽車零部件建模的CAE系統應運而生。AltairHyperMesh軟件是一種高性能有限單元前后處理器，讓工程師在平凡交互及可視化的環境下驗證各種設計條件。AltairHyperMesh可以支持直接輸入CAD幾何模型和已有的有限元模型，減少重復性的工作。它先進的后處理工具保證形象地表現復雜的仿真結果。文章結合CN100V車型懸置支架分析案例對模態、動剛度、強度進行介紹，為懸置支架設計問題提供借鑒與幫助。

【關鍵詞】CAE有限元分析;AltairHypermesh分析;發動機懸置支架

【中圖分類號】U464.13 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）11-0033-03

當前，中國汽車市場發展迅速與計算機應用技術的迅速發展有著密切的關聯，在車身零部件的設計與開發中，一些計算設計輔助軟件起到了非常大的作用。隨著計算機應用技術的普及，CAE系統的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產品數字建模的CAE系統應運而生，并已成為結構分析和結構優化的重要工具，例如UG、CAD、AltairHypermesh等。文章結合CN100V車型的一些零部件的設計布置與分析，我們總結出了一些方式和經驗：①懸置支架設計位置布置;②模態分析方法;③動剛度分析方法與結果;④強度分析方法與結果。

1 懸置支架設計位置布置

懸置位置及數量的選擇：根據動力總成的安裝方式、用途、質量、長度和機艙空間等決定。懸置系統可以有三、四點懸置，大多在汽車上使用三點和四點懸置系統。在發動機振動過大時，如果懸置點的數量過多，當車身地盤架變形后，有的懸置點會有錯位現象，會對懸置支架或發動機負載過大而造車損壞。三點模式的懸置與車身地盤架的適應性最佳，因為三點模式決定了一個平面，不受車身地盤架變形的影響，并且本身頻率低，對抗扭轉振動的效果比較優秀（如圖1所示）。懸置系統設計包括發動機支撐架、后橫梁、緩沖塊、懸置支架等。發動機懸置是安裝在發動機與汽車底盤之間，用于支撐動力總成和隔離減少發動機振動能量向底盤車身傳播為目的的隔振系統。設計合理的懸置系統可以明顯地降低汽車動力總成和車體振動，改善汽車的乘坐舒適型，并且還可以延長發動機與其他部件的使用壽命。設計前，我們依然根據提前得出的懸置支架邊界條件，認真地對邊界條件進行反復的研究，確定方向，對邊界條件自主設計懸置支架的任務是具有挑戰性的，要考慮的因素較多，零件使用3DNX.UG-10.0軟件建模設計出來后，要考慮和確認零件的制造、裝配、成型、焊接、強度、工藝性等。設計懸置的邊界條件，我們以三點式懸置布置設計舉例。對于產品而言，最重要的還是性能，但性能怎樣才能優質？我們可以通過有限元分析各項性能指標判斷，不斷地分析、更改，循環工作，直到設計達標為止。

2 模態分析方法

下面以CN100V發動機懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）創建零件材料。選擇各向同性的材料卡片MAT1，彈性模量為2.1e5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.9e-9 T/mm3。

（2）創建零件屬性。對于殼單元，建立的屬性卡片為PSHELL，在PSHELL卡片力輸入材料的厚度。

（3）創建連接。對螺栓安裝孔建立reb2連接，同時建立加載點conm2單元。

（4）創建約束。對8個安裝空約束6個方向自由度。

（5）創建模態分析載荷。建立模態分析卡片eigrl，輸入需要計算的最高模態頻率。

（6）創建模態分析步和設置。建立模態分析步（normal modes），分別選擇約束載荷和模態提取卡片，分析類型設置：sol=103模態分析，參數設置：post=-1，輸出設置OUTPUT：DISPLACEMENT=ALL;ESE=ALL。

（7）查看結果。通過hyperview打開輸出的OP2文件即可查看模態計算結果（如圖2所示）。

在CAE工程技術領域模態分析，Hypermesh最顯著的特點是它所具有的很大的有限元劃分網格前處理功能。按理說，工程師70%的時間都花費在有限元模型的CAE分析建立上或修改、劃分網格上。而真正的分析求解時間是浪費在計算機服務器上。汽車發動機支架是動力總成懸置系統的功能件和安全件，我們要滿足汽車在各種行駛工作狀況下的強度，同時發動機懸置支架的約束模態對車內的噪聲影響較大，如設計不合理，其懸置支架Ⅰ段固有的頻率太低且處于發動機工作轉速范圍內，懸置支架將產生共振，使得車內噪音增大。因此，模態是懸置支架的重要的設計指標之一。對此，模態分析也是一個反復分析的工作，不斷調整結構實現想要的效果。

3 動剛度分析

下面以CN100V發動機懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）創建頻率卡片。創建freq1卡片，輸入計算起始頻率、頻率間隔、間隔個數。

（2）創建頻域卡片。創建tabled1卡片，定義生成頻域或時域動態載荷的表格函數。

（3）創建加載點卡片。創建darea卡片，在激勵點加載動態載荷系數（分別創建3個，對3個方向加載）。

（4）創建聯合卡片。創建rload1卡片，將darea卡片和tabled1卡片聯合，形成頻域下的載荷。同樣是創建3個，分別為X、Y、Z方向。

（5）創建動剛度分析步和設置。創建動剛度分析步，freq.resp（modal），分別選擇前面創建的載荷卡片。

（6）結果查看。使用hypergraph2D打開PCH文件，查看輸出的結果文件。對速度曲線進行處理，計算mobility值，mobility=V/F=2πf/Kd。

動剛度用結構的固有頻率衡量;但動作用力的頻率與結構的固有頻率相近時，有可能出現共振現象，所以我們要對零部件進行分析，避免共振現象。頻率響應分析可以實現對結構的動態特性分析，預測結構的繼續動力特性，驗證設計能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結構破壞，是計算線形結構在穩態振動激勵下的響應的方式。當然也要考慮動力總成懸置系統剛度的匹配原則。

用后橫梁零部件模擬各種工況進行約束和分析結果如圖3所示。對零部件進行加載點與頻率的模擬，從而利用軟件分析出零部件在各工況下的結果。

4 強度分析與結果

車身在使用中承擔著各種載荷，在這期間，要求車身應能完成作為結構體的承載功能作用。因此，轎車車身使用時既不能產生塑性變形，也不能產生裂紋和損壞，這就要求車身應具有必要的強度。

下面以CN100V發動機懸置后橫梁上蓋板零部件為例，使用Hypermesh軟件基本分析方法步驟如下。

（1）卡片設置。創建應力點，“Shift+F4”移動應力點放在相應的位置，對螺栓安裝孔建立RBE2連接，將加載點與應力點連接選擇移動到應力點，創建約束，約束相應的螺栓安裝孔點，對應力點創建加載，可以選擇分力或合力。

（2）創建零件材料。選擇各向同性的材料卡片MAT1，彈性模量為2.1e5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.9e-9 T/mm3。

（3）分析步和設置。創建屬性文件附于零件材料2D網格上。

（4）輸出設置。編輯屬性輸出設置，NODE FILE→U? ?EL FILE→S，創建強度分析步，分別選擇前面創建的載荷卡片。

（5）分析步和設置。點擊loadcols選擇約束和加載力卡片，點擊outputblocks選擇輸出卡片編輯屬性。

（6）查看設置結果。導出文件XXX.inp文件，雙擊XXX.inp文件搜索error檢查文件，如沒問題會在aaa.sta文件里顯示SUCCESSFULLY，在指定的文件夾創建記事本（a.bat）編輯輸入代碼，aaa為文件名，雙擊（a.bat）系統自動用Abaqus進行計算求解，得出aaa.odb。

（7）查看結果。選擇類型S-Stress components和選擇算法Simple屬性，點擊APPLY查看結果。

眾所周知，一個結構的強度是支撐它壽命的重要因素之一，也是對于汽車重要零部件相當關鍵的一個考核指標。圖4對零部件進行加載點與應力點的模擬，對各方向模擬施加一定的力，從而利用軟件分析出零部件在各工況下顯示出最薄弱的區域，圖5中紅色部分在工作中最薄弱。重新回到設計階段，對零部件結構進行優化工作。例如，更改零件材料、更改零部件狀態等。

5 結語

基于Hypermesh軟件對懸置支架的分析、模態、動剛度、強度，本文通過對后懸置支架分析過程和結果判斷零部件的適用性，得出的結果給設計指明了方向，規避了問題發生，并為新產品及其他車型的設計提供了思路和參考。本文沒有過多地提供數據說明，只提供了一個過程與方法。

參 考 文 獻

[1]劉祖斌，劉英杰.發動機懸置設計中的動、靜剛度參數研究[J].汽車技術，2008（6）.

[2]李建康，鄭立輝，宋向榮.汽車發動機懸置系統動剛度模態分析[J].汽車工程，2009（5）.

[3]宋向榮，靳永軍，李建康.基于動剛度實驗的發動機懸置系統計算模型及模態驗證[J].噪聲與振動控制，2010（4）.