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2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
借助于OptiStruct的結構優化功能,設計分析人員在某車型轉向系統開發設計過程中完成了對轉向系統NVH性能的優化。在研究中以轉向系統為研究對象,在HyperWorks中建立了轉向系統有限元分析模型,分析了該模型的前5階固有頻率,并以第一階垂向振動為目標,對轉向系統中的部件進行了拓撲與形貌優化。
張松波 周建文 高巖 張軍 來源:Altair
關鍵字:CAE NVH 轉向系統 結構優化
1 概述
目前汽車的NVH性能越來越受到汽車廠商的重視,而轉向系的振動與噪聲是駕駛員可以直接感知到的敏感因素,是影響整車NVH水平的重要部分。模態分析是確定設計結構或機械零部件的振動特性,得到結構固有頻率和振型的過程。在汽車轉向系和儀表板總成設計中,利用Altair OptiStruct結構優化求解器,不僅能夠有效預測轉向系與儀表板安裝橫梁總成的NVH性能,還可以在充分考慮多種設計約束的前提下尋求滿足預定目標的最佳設計,有效地降低開發時間及節約成本。
轉向系統振動的主要表現形式為轉向盤的擺振,它又分為低速和高速兩種,其頻率范圍在6~30HZ。低速擺振主要是指車輛在怠速狀態或低速行駛時在操縱系內的行駛能源產生的低頻自激振動;高速擺振是指車輛高速行駛在不平路面時會使轉向輪之間產生不平衡,從而給轉向系一個扭振的激勵。駕駛員在怠速狀態下對轉向盤的擺振最敏感,為避免轉向系統在怠速工況(750rpm)下產生共振,對其固有頻率的要求為大于32HZ。
2 有限元模型的建立
轉向系統由多個子系統組成,其整體剛度是轉向柱、安裝支架和儀表板橫梁集中體現。為了縮減計算量同時能真實準確的模擬轉向系統的振動特性,本次分析中使用了如圖1所示模型,約束車身斷開處所有節點六個方向的自由度。
2.1 網格劃分
模型板殼件采用四邊形單元模擬,實體采用六面體模擬,焊點由cweld單元模擬,焊縫采用rbe2單元,平均單元尺寸10cm X10cm,模型單元總數211594個,節點總數222618個。
2.2邊界條件與約束
將裝有轉向系統的車身模型在前排座椅處截斷,約束車身截斷處所有節點123456六個方向自由度,萬向節采用MPC模擬,球鉸采用RBE2單元,約束123三個方向平動自由度。
3 計算結果
采用HyperWorks自帶求解器OptiStruct對模型進行模態計算,得到一個對振動影響最大的很重要的轉向柱模態:垂直方向模態(上下擺動)27.9HZ。顯然該車型轉向系統垂向模態未能達到要求,需要進一步優化。
4 設計優化
優化設計有三要素,即設計變量、目標函數和約束條件。設計變量是在優化過程中發生改變從而提高性能的一組參數;目標函數就是要求的最優設計性能,是關于設計變量的函數;約束條件是對設計的限制,是對設計變量和其他性能的要求。
OptiStruct使用迭代的程序,通過逼近的方法來求解優化問題,其提供的優化方法可以對靜力、模態、屈曲、頻響等分析過程進行優化。優化流程如圖2所示:
圖1轉向系統模型示意圖
圖3 應變能云圖
4.1優化前的初始設定
提高轉向盤垂向振動固有頻率使其與激振頻率分開是優化轉向系統振動特性的常用方法。查看垂向振動振型的應變能云圖(如圖3所示)可以發現,結構較薄弱處為轉向柱與儀表橫梁的安裝支架根部以及支架上方與車身前圍板連接處。綜合考慮各因素,擬定對件1進行形貌優化,對件2和3在增加板厚的基礎上進行刪減材料的拓撲優化(圖4所示)。
圖4 需優化件示意圖
4.1.1 形貌優化
(1)設定優化參數:
(2)設定優化目標:
轉向系統一階垂向擺振頻率最大化。
4.1.2 拓撲優化
(1)設定優化參數:
(2)設定優化約束:
體積分數≤0.3 {體積分數=(當前迭代的總體積-初始非設計域體積)/初始設計體積}
(3)設定優化目標:
轉向系統一階垂向擺振頻率最大化。
上述設置完成后即可在OptiStruct的環境下進行優化計算。
4.2優化結果
經OptiStruct結構優化后,各部件結構情況如下:
圖5優化后件1 t=1.5mm 圖6 優化后件2 t=2.5mm 圖7 優化后件3 t=2.5mm
優化后模型與原模型進行對比,其結果見下表:
從優化結果對比來看,該方案較大幅度的提升了轉向系統振動特性,使之達到既定目標。
5 結論
本文使用OptiStruct完成了對轉向系統振動特性的優化設計,在控制質量的基礎上使其振動特性有了顯著提高,形貌優化與拓撲優化在轉向系統NVH性能設計中的應用既節省了設計的時間又提高了優化的效果,并且為其他車體結構件的優化設計提供了方法上的借鑒。
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