搜索模态分析在发动机托架中的应用
2013-06-04 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
借助于HyperWorks软件,CAE工程师可以通过各种结构分析得出分析对象的基本性能及薄弱点,并在此基础上进行后续的改进和优化。本文通过某车型发动机托架模态分析结构及优化为例,介绍了部分相关HyperWorks软件的功能以及应用方法。应用表明该软件能准确的分析出结构弱点,并对符合生产工艺的方案进行验证。
邢文 昝建明 周建文 来源:Altair
关键字:CAE Altair 模态 频率 发动机托架 优化
1 概述
由于发动机托架属于底盘的重要组成件,它对车辆的机动灵活性和操纵稳定性有直接影响,因此对发动机托架的设计提出了较高的要求,其中最基本同时也是最重要的属性要求是动刚度性能,必须进行相关的模态分析。通过模态分析不仅可以全面了解结构的动刚度性能,找到薄弱点或者产生刚度偏低的原因,并且可以通过与类似发动机托架的横向对比,找出结构上优缺点的共性,便于从根源上进行弱点分析并得出最优化设计方案。
作为Altair公司力作之HyperMesh,HyperView和OptiStruct,不仅具有强大的实体建模、曲面造型和虚拟装配等设计功能,进行有限元分析;更突出的是,有限元分析后续的优化分析简便快捷,可以在满足以上设计分析要求的情况下,尽量减轻质量,降低材料消耗和大幅缩短分析周期,实现设计分析的合理性和高效性。
2 有限元模型的建立
由于发动机托架的零部件与连接件比较多,现选择其主体部分(前、后、左、右托架)进行有限元分析。基础车发动机托架类同,见图1、2所示。
图1 基础车发动机托架有限元模型 图2 发动机托架有限元模型
2.1 网格划分
采用二维单元进行网格划分。结点数和单元数见表1、2。
表1 发动机托架的结点数和单元数
表2 基础车发动机托架的结点数和单元数
2.2 材料与属性
为计算对比方便,所使用的材料参数统一如下:
弹性模量:210GPa
材料密度:7.85e3kg/m3
泊松比:0.3
长度单位为:mm
3 边界条件
发动机托架计算工况为0~70Hz的自由模态,基础车发动机托架与之保持一致。
4 计算结果
分析中自由模态频率开始于0Hz,必然出现6个刚体模态,但是刚体模态不是分析目标所在,因此在结果中舍去。从下表可知,频率截止到70Hz是为了保证截止频率误差对分析结果的影响最小化,兼之分析目标需要,取前4阶模态进行分析。详细结果见表3所示。
表3 发动机托架与基础车发动机托架前4阶自由模态结果
与基础车发动机托架相比,发动机托架不仅出现两次一阶扭转变形,并且在最关键的第一阶扭转频率(15.0Hz)之上低于基础车(16.9Hz),更加接近发动机本身的激振频率带上限,有发生共振的隐患;此外发动机托架全局模态27.0Hz比基础车相应一阶弯曲模态23.5Hz更加接近发动机怠速频率带,其NVH性能显然低于基础车,综上,发动机托架必须进行优化。
5 优化设计
5.1 结构对比分析
发动机托架之所以与基础车存在性能差距,与两者间结构的差异密切相关。从结构对比分析入手,不仅有助于找出弱点位置,而且可以通过归纳总结出类似结构共同属性,有利于工程经验的积累。
后托架形状与曲率的变化必然影响结构动态刚度,因为后托架是一个比较大的件,相对于其他组件对刚度起更大的作用;前托架与基础车相比减弱明显,通过下图对比分析可以看出,基础车发动机托架的前悬位置是在受力方向(-Z向)以闭环形式与支撑件搭接,而研究的发动机托架是在于载荷方向垂直的方向上进行连接,并且属于敞口结构;左右托架的纵向延长也必然导致刚度下降,原因是左、右托架较之前、后托架无论是在结构上还是本身厚度上都偏弱,是刚度的一个明显弱点;此外,前覆盖件的形状改变对刚度也会产生影响,但具体是正面影响还是负面影响必须通过后续分析才能得出。
5.2 优化方向
总体上优化方向基于厚度、形状与连接方式三方面综合考虑,所涉及到的材料由于弹性模量与密度相差很小,因此不予考虑。此外,轻量化始终是当代汽车设计的一个核心发展方向,本分析中减重将是高度关注的内容。
5.3 优化方案
基于上述优化方向,本分析一共设计了30种方案,由于篇幅所限,这里只选取有代表性的三种方案,见表5与图3、4所示,其中△m表示改进方案与原方案的质量差。
表4 三种代表性方案汇总
图3 方案1右托架与前、后托架连接处增加翻边与焊点示意图
图4 方案2左、右托架与前托架连接处延长并增加两个螺栓连接示意图
5.4 优化结果
优化结果:增强前、后托架与左、右托架的搭接对发动机托架动刚度影响明显,因为前述结构差异决定了刚度的大小,而单纯的加强前托架与左、右的连接对动刚度影响甚微。具体见表6所示,其中△m表示改进方案与原方案的质量差。
表5 优化结果汇总
方案一对模态的影响很大,一阶扭转频率提高到27.2Hz,已经位于发动机怠速频率带之内;一阶弯曲达到34.5Hz,与车身等部件的自由模态频率存在耦合可能性,说明刚度的增加必须有一定限度,方案一不可取。
方案二与原方案的结果相近,同样不可取,原因是单纯增强前托架与左、右托架的连接并不能改善整体结构的刚度,或者说原结构的弱点不在这里。
方案三是在方案一的基础上减重,根据是方案一对左、右托架与原托架连接处加强过度,减小了其厚度,结果较之原方案有明显提高,同时一阶扭转频率23.9Hz避开怠速频率带,一阶弯曲频率32.9Hz相对于方案一要好,但是也存在耦合可能。
综上,方案三优于方案一和方案二。
6 结论
通过实例可以看出,模态分析在设计分析中具有重要意义,可以在保持原设计状态的前提下,找出薄弱点或对结构动刚度产生影响的原因,并且可以在满足设计要求的基础上持续改进,以达到轻量化的目的。
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