基于頻率響應的ECU支架分析及優化

摘要：發動機ECU支架主要用于安裝和固定發動機ECU，確保ECU在車輛行駛過程中不會受到外部振動和沖擊的影響，因此ECU支架設計的合理性非常重要。以某車型ECU支架為研究對象，應用Hypermesh進行前處理，Nastran軟件作為求解器，對ECU支架進行頻率響應分析，結果顯示支架在40.16 Hz時構件最大應力達到459.1 MPa，遠超材料的屈服強度，不滿足強度要求。對支架進行結構優化設計，對優化后的方案進行強度校核，結果顯示：強度滿足要求。該分析方法可以為支架類零件設計提供參考依據。

關鍵詞：ECU支架;頻率響應分析;強度;結構優化

中圖分類號：U463 收稿日期：2024-05-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.006

1 前言

ECU是汽車電子控制單元（Electronic Control Unit）的縮寫，是發動機的控制核心部件，ECU能否可靠工作不僅與自身質量相關，而且與ECU支架的設計緊密相關。發動機ECU支架主要用于安裝和固定發動機ECU，確保ECU在車輛行駛過程中不會受到過大的外部振動和沖擊的影響，有助于保護ECU免受損壞，延長ECU壽命，因此ECU支架設計的合理性非常重要。

ECU支架自身必須能夠承受車輛在各種工況下行駛時產生的振動和沖擊。頻率響應分析是結構在簡諧載荷激勵下的動態響應分析。它是從頻域的角度研究結構的振動性能，從而評估構件是否存在共振破壞的可能性［1］。本文以某車型ECU支架為研究對象，對其進行有限元網格劃分，添加邊界條件，然后施加實測加速度激勵，對支架進行振動強度分析并對其結構進行優化。

2 頻率響應分析理論

頻率響應分析主要研究結構在不同頻率的外部激勵下的動態響應特性，這些響應可以是位移、速度、加速度或應力等物理量，通過測量系統輸出的響應，可以得出系統對不同頻率信號的傳遞函數或頻率響應曲線，通過比較和分析這些響應數據，可以了解結構在不同頻率下的動態特性，如共振頻率、阻尼比、模態形狀等，這有助于了解系統在不同頻率下的性能表現。這種分析在涉及振動、沖擊和噪聲控制的領域非常重要。另外，頻率響應分析可以預測結構的動態性能，從而指導設計參數的調整。

MSC Nastran是一款功能強大的有限元分析軟件，可以準確地模擬結構在復雜載荷下的響應，并為工程師提供詳細的分析結果。在MSC Nastran中，頻率響應分析是一種用于工程設計和分析的重要工具，通過這種分析方法，工程師可以評估結構在不同頻率下的響應情況，從而確定結構在振動和共振方面的性能，能夠幫助工程師更好地了解系統的振動特性，進而優化設計方案，提高系統的性能和穩定性。

在MSC Nastran頻率響應分析中，有兩種分析方法，即直接頻率響應分析和模態頻率響應分析。直接頻率響應通過求解整個模型的阻尼耦合方程，得出各頻率對于外載荷的響應。模態頻率響應分析是利用結構的模態振型來對耦合的運動方程進行縮減和解耦，同時由單個模態響應的疊加得到某一給定頻率下的響應結果［2］。其中模態響應分析法計算速度比直接頻率響應分析法速度快，并且能夠更精確地捕捉響應峰值，所以本文采用模態頻率響應法分析法對ECU支架進行分析。

3 有限元模型

3.1 三維模型設計

基于以往設計經驗以及ECU的外輪廓尺寸和重量，采用三維軟件Catia進行ECU支架模型設計，初始ECU支架模型如圖1所示。支架通過2個安裝點與車身連接，并且通過4個安裝點與ECU模塊連接。

3.2 模型建立

有限元分析的第一步是對幾何模型進行網格劃分。首先對支架進行模型的簡化處理，簡化處理可以使網格劃分變得更容易，網格質量變得更好，從而使分析結果更加具有參考價值，因此，可以簡化一些重要程度較低的細節以提高分析計算的效率。

網格劃分時還需要考慮網格尺寸和單元類型，它們對于有限元分析結果非常關鍵。網格大小需要根據三維模型的大小和形狀等要素進行選擇。網格劃分需要從復雜的部件開始，這樣能有效提高網格劃分效率，劃分的網格與節點越多，有限元分析就會越準確，但網格與節點數量過多，有限元分析軟件會進行長時間的劃分，效率降低［3］。有限元分析模型如圖2所示。有限元模型包含發動機ECU支架部分、部分車架以及ECU本身。其中，ECU支架的車架采用5 mm的殼單元網格，發動機ECU采用二階四面體單元，通過調整密度的方式對ECU本體進行配重。

3.3 材料參數

鋼材具有高強度和耐久性的優點，它能夠承受較大的荷載，保證結構的穩定性和安全性，此外，鋼材具有較長的使用壽命，不易受到外界環境的影響，能夠長期保持良好的性能。本文中的ECU支架材料使用鋼材，具體材料參數如表1所示，車架使用材料DL510，在有限元分析之前，需要將材料參數賦予網格模型中。

3.4 邊界條件及載荷施加

有限元分析中，邊界條件的正確施加對于得到準確的結果至關重要，如果邊界條件施加不當，可能會導致模型的解出現奇異性或不穩定性，從而使得計算結果失去物理意義。為了提高分析精度，不能直接以ECU支架在車架上的安裝點作為邊界，需要截取部分車架模型，對截取的車架斷面部位建立RBE2剛性單元，將RBE2單元主節點進行六自由度全約束，約束如圖3所示。然后對其施加載荷，該載荷通過試驗方式獲取，采集到的真實載荷如圖4所示。

3.5 設置分析參數

本次分析提取的模態頻率范圍為0～100 Hz，因此模態求解范圍為0～200 Hz。激勵幅值通過TABLED1卡片進行設置，導入實際測量的X、Y、Z加速度激勵。對X、Y、Z三個方向分別采用1 g加速度進行激勵，并與激勵幅值TABLED1關聯，即為該模型加載了實際載荷譜。阻尼通過TABDMP1卡片進行設置，阻尼系數為0.05。創建模態分析步，分析類型選擇正則模態，在SPC處選擇約束載荷集，在METHOD（STRUCT）處選擇eigrl。創建頻響分析步，分析類型選擇模態頻率響應（SOL 111），在SPC處選擇spc約束載荷集，在DLOAD處選擇rload2，在METHOD（STRUCT）處選擇eigrl，在FREQ處選擇freqi，在SDAMPING（STRUCT）處選擇tabdmp1，最后定義輸出參數，主要包括位移和應力。

4 強度仿真結果分析

HyperView是Altair HyperWorks軟件平臺中功能非常強大的仿真結果后處理工具，憑借其強大的可視化能力、高效的數據處理和分析功能、靈活的集成能力、用戶友好的操作界面以及高度的可擴展性和定制性，被廣泛應用于工程設計和分析領域，幫助設計者更好地理解和優化設計方案，提高工作效率。HyperView主要適用的行業包括航空航天、汽車制造、機械工程、建筑與城市規劃等［4］。它不僅能輸出各種結果云圖，還能輸出不同的結果曲線。

NASTRAN求解器是一種廣泛應用于工程領域的有限元分析軟件。它能夠對復雜的結構進行靜力、動力和熱力分析，為工程師提供了強大的計算能力和準確的結果。通過求解結果，可以快速準確地預測結構的行為和性能，為設計和優化提供重要的參考依據。因此，NASTRAN求解器在工程實踐中扮演著不可或缺的角色，為設計工程師提供了很大的便利，節約了時間成本［5-6］。

本文將使用HyperView軟件模塊進行ECU支架的后處理工作。通過將建立的ECU支架CAE有限元模型導出為bdf格式文件，提交給Nastran求解器進行計算，最終得到op2格式的結果文件。利用HyperView軟件讀取op2文件，可以查看各個分析工況下的應力分析結果。

支架在不同頻率下對應的最大應力如圖5所示，由圖可知，支架在40.16 Hz時此構件最大應力為459.1 MPa，位于與車身連接的兩個安裝孔處，遠超材料的屈服強度，因此需要對材料結構進行優化設計。

5 優化設計及強度校核

5.1 結構優化方案

ECU支架強度不滿足要求是比較嚴重的問題，會導致ECU的不穩定和安全隱患，所以需要對支架結構進行優化設計。通過對支架的材料、尺寸和連接方式等方面進行調整，可以提高支架的強度和穩定性，確保其滿足要求［7］。基于整車布置邊界條件及ECU支架本身的結構特征，對ECU支架進行結構優化，首先減小中間開孔的大小；其次，降低焊接筋的支撐高度，以降低支架的一階固有頻率；最后刪除原有的沖壓筋結構，因為該筋對結構應力及頻率影響很小。改進后的支架結構如圖6所示。

5.2 優化后分析

5.2.1 優化后方案強度校核

對ECU支架結構優化后，分析參數同前面保持一致，對其重新進行計算，得到的分析結果如圖7所示。此時支架在頻率為24.39 Hz時最大應力為186.2 MPa，小于屈服強度，應力最大值位于與車身連接的兩個安裝孔處，滿足設計要求。

5.2.2 優化前后結果對比

原方案與優化方案結果分析對比如表2所示，由表可以看出，原方案在頻率為40.16 Hz時最大應力為459.1 MPa，不滿足強度要求。優化后方案頻率在24.39 Hz時最大應力為186.2 Hz，滿足強度要求，說明了優化后方案的可行性。

6 結語

本文以某車ECU支架為研究對象，采用模態頻率響應分析方法對ECU支架進行有限元分析，確定初始的支架一階模態頻率為40.16 Hz，與車架的峰值加速度對應頻率重疊，存在共振現象，強度不能滿足要求，因此支架受力狀況惡化。對ECU支架進行結構優化設計，并進行分析，結果表明，支架經優化后，一階模態頻率為24.39 Hz，避開共振，支架應力明顯下降，強度滿足要求，為工程設計人員設計和優化方案提供了參考意義。

參考文獻：

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