基于HyperWorks的某新能源卡車前保險杠總成方案對比分析

張克鵬 蔡培裕 康志軍 樓軍

摘要：利用HypcrWorks平臺有限元前處理軟件HypcrMcsh，建立了某新能源卡車前保險杠總成的兩種設計方案。在有限元模型基礎上，利用OptiStruct求解器對兩種方案進行了模態和靜強度對比分析，選擇相對合理的設計方案。

關鍵詞：保險杠支架 HyperMesh OptiStruct 模態 強度

中圖分類號：U469.2 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2019）02-0096-05

l前言

汽車保險杠足汽車上的重要部件，它是吸收和緩沖外界沖擊，保護駕駛室前后部分的安全裝置。在以節能、安全、環保為當今汽車設計的主流前提下，保險杠的動態特性更是汽車前端布置和設計的重要任務之一。由于保險杠支架與車架直接相連，且是金屬部件，因此是整個保險杠系統中的重點考察對象。

本文采用數值模擬的手段，結合模擬分析的結果，用大型有限元軟件HypcrWorks平臺下前處理工具HypcrMcsh建立某自卸車前保險杠總成2種方案的有限元模型，并利用OptiStruct求解器進行保險杠結構的模態分析;同時按照實際設計過程及要求，運用材料線性分析考察支架的靜態強度，根據分析結果選定相對合理的方案。

2保險杠總成的有限元模型建立

利用設計人員提供的CAD數據模型，將其導入主流CAE前處理軟件HypcrMcsh進行前處理。保險杠總成包括保險杠面罩、保險杠骨架和車架連接支架3個部件。在進行網格劃分時，根據零件的幾何特征，全部采用殼單元，單元類型為CTRIA3和CQUAD4，網格平均尺寸設置為5 mm;面罩和骨架、骨架與支架之間采用螺栓連接，在模型建立過程中采用RBE2和BAR2一維單元模擬;汽車霧燈用質量單元Mass替代，與保險杠支架用RBE3一維單元連接。方案1和方案2的有限元模型如圖1、2所示。

3保險杠總成的模態分析

3.1模態理論

模態足結構系統的固有振動特性。線性系統的自由振動被解耦合為Ⅳ個正交的單自由度振動系統，對應系統的Ⅳ個模態。每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。

當利用有限元方法求解結構的動態特性時，結構的動力學方程為：

Mx+Cx+Kx=f（t）式中，M為質量矩陣，x為系統的位移列陣，i是系統的速度列陣、X則是系統的加速度列陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，f（t）為激勵力。

在模態求解時，假定結構自由振動，則取f（t）=o。同時因結構阻尼C很小，對固有頻率和陣型的影響很小，可忽略不計，則上式成為無阻尼自由振動方程：

Mx +Kx=o

設特解

x=φixt

則微分方程化為

（K一ω2M）φ=0

得到特征方程：

|K-ω2M|=O式中，ω為系統的固有系統，φ為相應的振型，本次分析采用OptiStruct求解器，使用Lanczos方法提取特征值。

3.2約束邊界條件

模型中添加剛性單元（rigid bar clcmcnt）RBE2來定義剛性連接，在車架連接支架的安裝孔處，添加用于固定約束的RBE2，如圖3所示，約束該安裝孔的1—6自由度。

3.3載荷邊界條件

在HypcrMcsh建立模態分析時，設定模態數為0～30，設定頻率范圍為0～200 Hz，針對該車型來說，這樣的設定從工程應用角度來說足夠了。

3.4材料設定

該保險杠總成中，計算用到的材料屬性如表1所示。

3.5模態分析

將之前的模型設定好之后，提交OptiStruct求解器進行求解，得到2種方案模態頻率值如表2所示。圖4～6分別為保險杠總成前1～6階的模態振型圖，其中上面為方案1陣型圖，下面為方案2陣型圖。

保險杠是固定在車架上的，發動機也是固定在車架上的，所以保險杠受到的固定激勵頻率跟發動機相關。

發動機轉速發動機激勵頻率存在某種關系。怠速工況和正常行駛工況下發動機的激勵頻率可以由發動機激勵頻率的計算公式獲取，由此就可以分析發動機的主要振動頻率范圍。該新能源卡車的發動機為某4缸四沖程發動機，怠速轉速為600 rad/min。

根據發動機激勵頻率公式，發動機激勵頻率=（發動機轉速×發動機缸數x2）÷（60x發動機沖程數）.通過計算可以得出其常用工況下發動機激勵頻率為20Hz。

從分析數據來看，在發動機怠速時，發動機頻率與保險杠總成方案1的1階、2階模態頻率接近，將有可能在該區間某一頻率發生共振;而發動機怠速頻率與方案2的各階模態頻率沒有共振頻域，所以從模態方面考慮，方案2優于方案1。

4保險杠總成的靜強度分析

4.1力學理論

力學分析是結構有限元分析的基礎和主要內容，力學分析計算是在固定載荷作用下結構的響應，它不考慮慣性和阻尼的影響。通過靜力分析，可以校核結構的強度和剛度是否滿足設計要求。

線性力結構分析用來分析結構在給定力載荷作用下的響應。一般情況下，比較關注的往往足結構的位移，約束反力，應力以及應變等參數。動力學方程為：

[M]{x}+[C]{x}+[k]={F（f）}式中，[M]為質量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度系數矩陣;{x}為位移矢量;{F}為力矢量。

線性力結構分析中，所有與時間相關的選項都被忽略，于是上式簡化為：

[K]{x}={F}

在分析過程II，應該滿足以下假設條件：[K]矩陣必須足連續的，相應的材料需滿足線彈性和小變形理論。{F}矩陣為力載荷，同時不考慮隨時間變化的載荷，不考慮慣性（質量、阻尼等）的影響。

4.2靜強度分析

保險杠總成在車輛行駛過程巾，受到沖擊的典型工況為制動、轉彎和垂向，表3為三種工況下，作用在該自卸車車型保險杠總成的沖擊加速度，表3中的工況及加速度大小來源于整車廠對保險杠總成的試驗測試。

表4為三種工況下最大應力統計，圖7～9為兩種保險杠總成方案在三種工況下的應力云圖。

從計算分析結果來看，在車輛制動工況下，其方案1最大應力為27.17 MPa，方案2最大應力為17.77 MPa.最大應力均出現在車架連接支架上;轉彎工況下，方案1最大應力為20.56MPa，方案2最大應力為26.29 MPa.最大應力均出現在車架連接支架上;垂向工況下，方案1最大應力為32.26 MPa，方案2最大應力為33.09MPa，最大應力也均出現在車架連接支架上。

三種工況下，兩種方案的最大應力都沒有超過其材料的屈服強度350 MPa.且具有很高的安全系數，整體滿足設計要求。

5結語

本文以某自卸車型2種保險杠總成方案為研究對象，利用HyperMesh建立了保險杠總成的有限元模型，在此基礎上，用OptiStruct求解器對2種設計方案進行模態和靜強度對比分析，對設計方案進行優化選擇。

本文對2種保險杠總成方案進行模態分析后，發現方案1與發動機頻率之間有共振分析;對2種方案進行靜強度分析，兩種方案的最大應力均沒有超過材料的屈服強度，所以建議選擇方案2作為其最終的設計方案。

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