搜索模態分析在發動機托架中的應用
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
借助于HyperWorks軟件,CAE工程師可以通過各種結構分析得出分析對象的基本性能及薄弱點,并在此基礎上進行后續的改進和優化。本文通過某車型發動機托架模態分析結構及優化為例,介紹了部分相關HyperWorks軟件的功能以及應用方法。應用表明該軟件能準確的分析出結構弱點,并對符合生產工藝的方案進行驗證。
邢文 昝建明 周建文 來源:Altair
關鍵字:CAE Altair 模態 頻率 發動機托架 優化
1 概述
由于發動機托架屬于底盤的重要組成件,它對車輛的機動靈活性和操縱穩定性有直接影響,因此對發動機托架的設計提出了較高的要求,其中最基本同時也是最重要的屬性要求是動剛度性能,必須進行相關的模態分析。通過模態分析不僅可以全面了解結構的動剛度性能,找到薄弱點或者產生剛度偏低的原因,并且可以通過與類似發動機托架的橫向對比,找出結構上優缺點的共性,便于從根源上進行弱點分析并得出最優化設計方案。
作為Altair公司力作之HyperMesh,HyperView和OptiStruct,不僅具有強大的實體建模、曲面造型和虛擬裝配等設計功能,進行有限元分析;更突出的是,有限元分析后續的優化分析簡便快捷,可以在滿足以上設計分析要求的情況下,盡量減輕質量,降低材料消耗和大幅縮短分析周期,實現設計分析的合理性和高效性。
2 有限元模型的建立
由于發動機托架的零部件與連接件比較多,現選擇其主體部分(前、后、左、右托架)進行有限元分析。基礎車發動機托架類同,見圖1、2所示。
圖1 基礎車發動機托架有限元模型 圖2 發動機托架有限元模型
2.1 網格劃分
采用二維單元進行網格劃分。結點數和單元數見表1、2。
表1 發動機托架的結點數和單元數
表2 基礎車發動機托架的結點數和單元數
2.2 材料與屬性
為計算對比方便,所使用的材料參數統一如下:
彈性模量:210GPa
材料密度:7.85e3kg/m3
泊松比:0.3
長度單位為:mm
3 邊界條件
發動機托架計算工況為0~70Hz的自由模態,基礎車發動機托架與之保持一致。
4 計算結果
分析中自由模態頻率開始于0Hz,必然出現6個剛體模態,但是剛體模態不是分析目標所在,因此在結果中舍去。從下表可知,頻率截止到70Hz是為了保證截止頻率誤差對分析結果的影響最小化,兼之分析目標需要,取前4階模態進行分析。詳細結果見表3所示。
表3 發動機托架與基礎車發動機托架前4階自由模態結果
與基礎車發動機托架相比,發動機托架不僅出現兩次一階扭轉變形,并且在最關鍵的第一階扭轉頻率(15.0Hz)之上低于基礎車(16.9Hz),更加接近發動機本身的激振頻率帶上限,有發生共振的隱患;此外發動機托架全局模態27.0Hz比基礎車相應一階彎曲模態23.5Hz更加接近發動機怠速頻率帶,其NVH性能顯然低于基礎車,綜上,發動機托架必須進行優化。
5 優化設計
5.1 結構對比分析
發動機托架之所以與基礎車存在性能差距,與兩者間結構的差異密切相關。從結構對比分析入手,不僅有助于找出弱點位置,而且可以通過歸納總結出類似結構共同屬性,有利于工程經驗的積累。
后托架形狀與曲率的變化必然影響結構動態剛度,因為后托架是一個比較大的件,相對于其他組件對剛度起更大的作用;前托架與基礎車相比減弱明顯,通過下圖對比分析可以看出,基礎車發動機托架的前懸位置是在受力方向(-Z向)以閉環形式與支撐件搭接,而研究的發動機托架是在于載荷方向垂直的方向上進行連接,并且屬于敞口結構;左右托架的縱向延長也必然導致剛度下降,原因是左、右托架較之前、后托架無論是在結構上還是本身厚度上都偏弱,是剛度的一個明顯弱點;此外,前覆蓋件的形狀改變對剛度也會產生影響,但具體是正面影響還是負面影響必須通過后續分析才能得出。
5.2 優化方向
總體上優化方向基于厚度、形狀與連接方式三方面綜合考慮,所涉及到的材料由于彈性模量與密度相差很小,因此不予考慮。此外,輕量化始終是當代汽車設計的一個核心發展方向,本分析中減重將是高度關注的內容。
5.3 優化方案
基于上述優化方向,本分析一共設計了30種方案,由于篇幅所限,這里只選取有代表性的三種方案,見表5與圖3、4所示,其中△m表示改進方案與原方案的質量差。
表4 三種代表性方案匯總
圖3 方案1右托架與前、后托架連接處增加翻邊與焊點示意圖
圖4 方案2左、右托架與前托架連接處延長并增加兩個螺栓連接示意圖
5.4 優化結果
優化結果:增強前、后托架與左、右托架的搭接對發動機托架動剛度影響明顯,因為前述結構差異決定了剛度的大小,而單純的加強前托架與左、右的連接對動剛度影響甚微。具體見表6所示,其中△m表示改進方案與原方案的質量差。
表5 優化結果匯總
方案一對模態的影響很大,一階扭轉頻率提高到27.2Hz,已經位于發動機怠速頻率帶之內;一階彎曲達到34.5Hz,與車身等部件的自由模態頻率存在耦合可能性,說明剛度的增加必須有一定限度,方案一不可取。
方案二與原方案的結果相近,同樣不可取,原因是單純增強前托架與左、右托架的連接并不能改善整體結構的剛度,或者說原結構的弱點不在這里。
方案三是在方案一的基礎上減重,根據是方案一對左、右托架與原托架連接處加強過度,減小了其厚度,結果較之原方案有明顯提高,同時一階扭轉頻率23.9Hz避開怠速頻率帶,一階彎曲頻率32.9Hz相對于方案一要好,但是也存在耦合可能。
綜上,方案三優于方案一和方案二。
6 結論
通過實例可以看出,模態分析在設計分析中具有重要意義,可以在保持原設計狀態的前提下,找出薄弱點或對結構動剛度產生影響的原因,并且可以在滿足設計要求的基礎上持續改進,以達到輕量化的目的。
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