搜索模態(tài)分析在發(fā)動機(jī)托架中的應(yīng)用
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(jié)構(gòu)分析得出分析對象的基本性能及薄弱點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化。本文通過某車型發(fā)動機(jī)托架模態(tài)分析結(jié)構(gòu)及優(yōu)化為例,介紹了部分相關(guān)HyperWorks軟件的功能以及應(yīng)用方法。應(yīng)用表明該軟件能準(zhǔn)確的分析出結(jié)構(gòu)弱點(diǎn),并對符合生產(chǎn)工藝的方案進(jìn)行驗證。
邢文 昝建明 周建文 來源:Altair
關(guān)鍵字:CAE Altair 模態(tài) 頻率 發(fā)動機(jī)托架 優(yōu)化
1 概述
由于發(fā)動機(jī)托架屬于底盤的重要組成件,它對車輛的機(jī)動靈活性和操縱穩(wěn)定性有直接影響,因此對發(fā)動機(jī)托架的設(shè)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(jìn)行相關(guān)的模態(tài)分析。通過模態(tài)分析不僅可以全面了解結(jié)構(gòu)的動剛度性能,找到薄弱點(diǎn)或者產(chǎn)生剛度偏低的原因,并且可以通過與類似發(fā)動機(jī)托架的橫向?qū)Ρ?找出結(jié)構(gòu)上優(yōu)缺點(diǎn)的共性,便于從根源上進(jìn)行弱點(diǎn)分析并得出最優(yōu)化設(shè)計方案。
作為Altair公司力作之HyperMesh,HyperView和OptiStruct,不僅具有強(qiáng)大的實體建模、曲面造型和虛擬裝配等設(shè)計功能,進(jìn)行有限元分析;更突出的是,有限元分析后續(xù)的優(yōu)化分析簡便快捷,可以在滿足以上設(shè)計分析要求的情況下,盡量減輕質(zhì)量,降低材料消耗和大幅縮短分析周期,實現(xiàn)設(shè)計分析的合理性和高效性。
2 有限元模型的建立
由于發(fā)動機(jī)托架的零部件與連接件比較多,現(xiàn)選擇其主體部分(前、后、左、右托架)進(jìn)行有限元分析?；A(chǔ)車發(fā)動機(jī)托架類同,見圖1、2所示。
圖1 基礎(chǔ)車發(fā)動機(jī)托架有限元模型 圖2 發(fā)動機(jī)托架有限元模型
2.1 網(wǎng)格劃分
采用二維單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見表1、2。
表1 發(fā)動機(jī)托架的結(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)
表2 基礎(chǔ)車發(fā)動機(jī)托架的結(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)
2.2 材料與屬性
為計算對比方便,所使用的材料參數(shù)統(tǒng)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(fā)動機(jī)托架計算工況為0~70Hz的自由模態(tài),基礎(chǔ)車發(fā)動機(jī)托架與之保持一致。
4 計算結(jié)果
分析中自由模態(tài)頻率開始于0Hz,必然出現(xiàn)6個剛體模態(tài),但是剛體模態(tài)不是分析目標(biāo)所在,因此在結(jié)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(jié)果的影響最小化,兼之分析目標(biāo)需要,取前4階模態(tài)進(jìn)行分析。詳細(xì)結(jié)果見表3所示。
表3 發(fā)動機(jī)托架與基礎(chǔ)車發(fā)動機(jī)托架前4階自由模態(tài)結(jié)果
與基礎(chǔ)車發(fā)動機(jī)托架相比,發(fā)動機(jī)托架不僅出現(xiàn)兩次一階扭轉(zhuǎn)變形,并且在最關(guān)鍵的第一階扭轉(zhuǎn)頻率(15.0Hz)之上低于基礎(chǔ)車(16.9Hz),更加接近發(fā)動機(jī)本身的激振頻率帶上限,有發(fā)生共振的隱患;此外發(fā)動機(jī)托架全局模態(tài)27.0Hz比基礎(chǔ)車相應(yīng)一階彎曲模態(tài)23.5Hz更加接近發(fā)動機(jī)怠速頻率帶,其NVH性能顯然低于基礎(chǔ)車,綜上,發(fā)動機(jī)托架必須進(jìn)行優(yōu)化。
5 優(yōu)化設(shè)計
5.1 結(jié)構(gòu)對比分析
發(fā)動機(jī)托架之所以與基礎(chǔ)車存在性能差距,與兩者間結(jié)構(gòu)的差異密切相關(guān)。從結(jié)構(gòu)對比分析入手,不僅有助于找出弱點(diǎn)位置,而且可以通過歸納總結(jié)出類似結(jié)構(gòu)共同屬性,有利于工程經(jīng)驗的積累。
后托架形狀與曲率的變化必然影響結(jié)構(gòu)動態(tài)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(chǔ)車相比減弱明顯,通過下圖對比分析可以看出,基礎(chǔ)車發(fā)動機(jī)托架的前懸位置是在受力方向(-Z向)以閉環(huán)形式與支撐件搭接,而研究的發(fā)動機(jī)托架是在于載荷方向垂直的方向上進(jìn)行連接,并且屬于敞口結(jié)構(gòu);左右托架的縱向延長也必然導(dǎo)致剛度下降,原因是左、右托架較之前、后托架無論是在結(jié)構(gòu)上還是本身厚度上都偏弱,是剛度的一個明顯弱點(diǎn);此外,前覆蓋件的形狀改變對剛度也會產(chǎn)生影響,但具體是正面影響還是負(fù)面影響必須通過后續(xù)分析才能得出。
5.2 優(yōu)化方向
總體上優(yōu)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(dāng)代汽車設(shè)計的一個核心發(fā)展方向,本分析中減重將是高度關(guān)注的內(nèi)容。
5.3 優(yōu)化方案
基于上述優(yōu)化方向,本分析一共設(shè)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(jìn)方案與原方案的質(zhì)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(diǎn)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(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化結(jié)果:增強(qiáng)前、后托架與左、右托架的搭接對發(fā)動機(jī)托架動剛度影響明顯,因為前述結(jié)構(gòu)差異決定了剛度的大小,而單純的加強(qiáng)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(jìn)方案與原方案的質(zhì)量差。
表5 優(yōu)化結(jié)果匯總
方案一對模態(tài)的影響很大,一階扭轉(zhuǎn)頻率提高到27.2Hz,已經(jīng)位于發(fā)動機(jī)怠速頻率帶之內(nèi);一階彎曲達(dá)到34.5Hz,與車身等部件的自由模態(tài)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(jié)果相近,同樣不可取,原因是單純增強(qiáng)前托架與左、右托架的連接并不能改善整體結(jié)構(gòu)的剛度,或者說原結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)不在這里。
方案三是在方案一的基礎(chǔ)上減重,根據(jù)是方案一對左、右托架與原托架連接處加強(qiáng)過度,減小了其厚度,結(jié)果較之原方案有明顯提高,同時一階扭轉(zhuǎn)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(yōu)于方案一和方案二。
6 結(jié)論
通過實例可以看出,模態(tài)分析在設(shè)計分析中具有重要意義,可以在保持原設(shè)計狀態(tài)的前提下,找出薄弱點(diǎn)或?qū)Y(jié)構(gòu)動剛度產(chǎn)生影響的原因,并且可以在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上持續(xù)改進(jìn),以達(dá)到輕量化的目的。
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