某車型懸置支架模態仿真與優化設計

侯宇　周鶴

摘 要：懸置支架作為懸置系統中的重要部件，其模態性能的高低對于整個懸置系統很關鍵。文章基于Optistruct軟件的拓撲優化算法得到一種懸置支架的優化設計，在提高模態性能的同時，實現了結構的輕量化。對懸置支架設計開發的指導，有非常重要的意義。關鍵詞：懸置支架;模態;拓撲優化;輕量化中圖分類號：U463.33 ?文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-86-03

Abstract： As an important part of mounting system， the modal performance of mounting bracket is very important for the whole mounting system. Based on the optimization algorithm of Optistruct software， an optimal design of mounting bracket is obtained， which not only improves the modal performance， but also realizes the lightweight structure. It is very important to guide the design and development of mounting bracket.Keywords： Mount bracket; Modality; Topography optimization; LightweightCLC NO.： U463.33? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-86-03

前言

懸置支架是動力總成與車身間的連接元件。它的模態性能對整個懸置系統的支承和隔振表現有重要影響。以往由于優化分析在設計過程中的欠缺，導致懸置支架的設計存在重量偏大，性能不足的現象。針對此問題，本文將進行懸置支架優化設計方案的探索。

1 懸置支架的模態分析

圖1所示為某車型懸置支架，厚度為3.0mm，材料為SAPH440，前后四個螺栓孔為安裝孔。

1.1 懸置支架的模態要求

懸置系統設計過程中為了達到良好的隔振效果，通常會要求懸置支架的一階約束模態，頻率在500Hz以上^[1]。

1.2 懸置支架的模態分析

通過對該懸置支架進行模態分析，得到其一階和二階模態頻率和模態振型。

由分析結果可知，其一階約束模態頻率為410Hz，不滿足500Hz的最低要求。因此，有必要針對其模態性能進行優化設計。

2 懸置支架的拓撲優化

Optistruct是被全球很多企業采用的優化軟件，擁有先進的拓撲優化算法。本文使用Optistruct軟件對懸置支架進行拓撲優化設計。

2.1 優化分析

2.1.1 定義設計區域

在開始進行優化設計前，將懸置支架的螺栓安裝孔區域定義為非設計空間，如圖4紅色區域所示，保證優化后的結果也能正常的安裝，而將其余部分定義為設計空間。

2.1.2 優化分析設置

使用Optistruct軟件的優化模塊，設置模態頻率和體積分數為優化的響應。同時將全局體積分數設置為優化約束，上限為0.8。而優化目標是一階模態頻率最大。

2.1.3 優化結果

設置完畢后，開始拓撲優化分析，得到如圖4所示的結果。圖5中紅色區域單元密度為1（或接近1），需要保留，而藍色區域單元密度為0（或接近0），在后續設計中可以移除。

3 優化結果驗證

3.1 優化結果幾何重構

基于拓撲優化分析的結果，對原始支架進行有針對性的開孔和移除多余的材料。同時將邊緣部分進行圓整。得到如下圖所示的新支架結構。

3.2 優化結果模態分析

對重新設計的新支架進行模態分析，得到其一階約束模態頻率為528Hz，二階為657Hz，如圖7、8所示。

4 原始設計與優化設計對比

4.1 模態對比

優化后的懸置支架一階模態頻率為528Hz，相比原始支架的410Hz提高了118Hz，提升比例達到了28.8%。二階模態頻率由461Hz提升到了657Hz，提升比例達到了42.5%。

4.2 重量對比

通過優化設計，支架的重量由原始結構的2.32kg降到了1.73kg，減重比例為25.4%，減重效果明顯。

4.3 強度對比

懸置支架材料為SAPH440，其屈服強度為305MPa。通過對比分析優化前后懸置支架的強度，可得到如表1所示結果（6個工況均為懸置28工況中的極限工況），優化后各工況最大應力較原始結構均有所增加，但均小于材料的屈服極限305MPa，最惡劣的Z+工況（垂直向下（5G）&橫向向左加載（3G））也有1.5左右的安全系數。能夠保證強度需求。

4.4 總結

通過各項參數對比，可以認為該優化結果是有效且可靠的。

5 結論

文章利用Optistruct軟件對懸置支架進行了拓撲優化設計，并通過對優化結果的模態分析，驗證了優化設計的可靠性，提升性能的同時，又實現了結構的輕量化。在懸置支架的設計前期有著十分積極和重要的意義。

參考文獻

[1] 郭榮，章桐.汽車動力總成懸置系統[M].上海：同濟大學出版社.2013：83-84.

[2] 廖抒華，成傳勝.汽車懸置支架的仿真分析與尺寸優化[J].煤礦機械，2012.

[3] 楊武森，楊玉玲，宋樹森.關于某動力總成懸置支架的優化設計[J].汽車實用技術，2014.