汽车塑料保险杠模态分析及其结构优化

张世湖 吕伟妮 陈俊 熊希平 黎胜钦

摘 要：针对某国产SUV车型的塑料保险杠进行了结构简化，利用hypermesh软件建立塑了料保险杠的有限元分析模型。通过对该有限元分析模型的模态分析，得到保险杠的各阶模态频率和模态特性，并利用拓扑优化技术对保险杠进行拓扑优化。根据优化结果对保险杠结构进行改进并进行有限元分析，对比优化前后模态性能。结果表明，经过拓扑优化后的结构的模态性能有较大提高。

关键词：保险杠;有限元分析; 模态频率;拓扑优化

中图分类号：U468.4  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-91-05

Abstract： After a plastic bumper structure of a domestic SUV model is simplified， the finite element analysis model of the plastic bumper is built by using the hypermesh software. Through the modal analysis of the finite element analysis， modal frequencies of the bumper and modal characteristics are obtained and the topologic optimization method is applied to topology optimization of the bumper. The result of optimization is used to improve the bumper structure and the finite element analysis is conducted to compare the modal properties before and after optimization. Results show that modal performance of structures is greatly improved after the topology optimization.

Keywords： finite element analysis; bumper; modal frequency; topology optimization

1 前言

保险杠是汽车上一个比较大的外观件，作为一个独立的总成安装在汽车上，它对汽车的安全防护。造型效果、空气动力性等有着较大的影响。为降低成本和油耗，汽车轻量化要求越来越高，密度较小、防腐性能更好的塑料材料在汽車保险杠上的用量越来越多。[1]在汽车行驶的过程中，保险杠会由于路面激励和发动机的震动激励而引起振动，这容易引起保险杠的疲劳损坏。结构设计得比较差的保险杠会使得保险杠的固有频率比较低，容易接近激励的频率，使得保险杠的振动比较大，导致保险杠结构破坏。因此在保险杠的设计过程中要考虑保险杠的动力学特性，使保险杠的固有频率有效地避开激励频率，防止发生共振，降低对保险杠的疲劳损伤。通常情况下，仅仅根据设计人员的设计经验一般只能得到一些可行方案，但这些方案并不是最优方案，随着计算机的快速发展和CAE技术成熟，一些新的手段可以大大改善优化质量。本文针对国产某车型的塑料保险杠进行了模态分析，然后利用拓扑优化方法对其进行拓扑优化，在局部区域增加加强筋，并对优化后的方案再次进行模态分析，经过计算结果证明，修改后的方案使得保险杠的固有频率大幅提高。[2]

2 模态分析理论

静力学方程和动力学方程不同的是动力学方程中增加了惯性力和阻尼力的影响：

其中M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，P为载荷矩阵。为位移a 对时间的二阶导数，即为加速度，为位移a对时间的一阶导数，即为速度。

当载荷为零的情况下，并且忽略阻尼的影响，动力学方程式（1）就可以转换成为无阻尼的自由振动方程：

对于简谐振动：

带入无阻尼自由振动方程就可以得到：

求解这一方程就可以得到一组特征值和对应的特征向量， ， ， ，…，其中，0≤<<…<，其中特征向量就代表了系统的固有振型，当振型满足以下条件时，则称之为正则振型：

将特征解 ，代入无阻尼自由振动方程：

将 两端乘以 ，将两端乘以，得到：

由K和M的对称性：

从而得到：

由上式可知，当，必然有：

因此，固有振型对于质量矩阵是正交的：

对于K阵，很容易得到：

式中称为固有振型矩阵，称为固有频率矩阵，则原特征值问题可以转化为：

求解特征值问题的算法包括广义Jacobi法、逆迭代法、正迭代法、Rayleigh商迭代法、行列式搜索法，子空间迭代法、Ritz向量直接迭代法、Lanczos法。其中以子空间迭代法和Lanczos法最为常见。[3]

3 有限元模型建立及模态分析

3.1 几何模型的清理

由于塑料零部件的CAD模型结构相对钣金件的结构复杂，导入hypermesh软件后抽取中性面时，经常会出现中性面不全，或者特征结构发生变化，因此需要进行几何特征清理，便于网格划分。

（1）面的处理：在CAD软件中，零件的面由各自的线和面组成，相邻曲面没有公共边线，曲面之前可能还会存在缝隙、重叠、错位等缺陷，使得曲面不能直接生成网格，给网格划分带来困难，因此需要对这些边线进行处理：删除重合的面、线以及线上多余的点;缝合相邻曲面。

（2）细小特征处理：网格划分时考虑细小特征会由于尺寸大小原因造成网格质量差，给后期CAE分析造成困难，增加计算量，使求解时间变长。但删除细小特征对分析结果影响不大，因此需要去除一些细小的几何特征。

2.3 混动技术

混动技术介绍，有两种驱动方式，发动机驱动和电力驱动两种驱动。车辆启动停止时，是靠电动机带动，低转速时，发动机是不猜与工作的，发动机一直处于休眠的状态，只有在高转速，或者电量匮乏的条件下，发动机才工作。混动汽车的燃油经济性好，在起步、加速时，发动机不参与工作，电机系统就能实现，这样油耗必然會下降，简单地说，就是与同样重量的汽车相比，比汽油方面的消费会更低。而且，电机辅助驱动系统可以在汽车起动时，瞬间产生强大的动力，这样加速会更好。总之最主要是环保更好。

2.4 甲醇技术

是以甲醇为燃料的，代替汽油汽车，其性能与汽油接近，可以应用在点燃式的发动机上。

全球上有很多个国家的汽车，已经把甲醇作为燃料。中国，吉利汽车在南方推广了很多，集中应用在出租车市场。甲醇汽车的地位日益提升，是因为甲醇的资源丰富，属于可生物质的能源。

2.5 缸盖集成技术

缸盖与进气歧管集成技术方案，不像以往那种采用几根弯曲的管子直接安装在缸盖上，而是直接采用一个带稳压腔的进气歧管。空气完全靠腔来分配气流，直接进入到燃烧室内。

发缸盖与排气歧管集成技术方案，又集成了水冷装置，使得暖机过程更快，从而降低排放;有利于冷启动时的快速升温，让排气热量被空调暖风系统使用，提升了热效率。

把排气歧管置于缸盖之内，涡轮增压器的安装位置更靠近发动机，提高了增压器的响应时间，解决了增压系统固有滞后的现象。

总之，集成设计除了可降低发动机重量，还有助于提升车辆效率，使前后重量更加平衡，提升操控反应和驾驶感受。

2.6 启停技术

启停技术工作原理是，当车辆因为拥堵或者遇到红绿灯停止行进时，踩一下制动踏板后停车摘挡。此时Start/Stop系统开始检测信号：1）、发动机空转且没有挂挡;2）、防锁定系统的车轮转速传感器显示为零;3）、电子电池传感器显示有足够的能量进行下一次起动。三个条件缺一不可，同时检测到发动机才能够自动启停。手动挡车驾驶员踩下离合器，随即就可以起动“启动停止器”，并快速地起动发动机。自动挡车，只要一松开刹车，或者转动方向盘，发动机启动，踩加速踏板起步，整个过程都处于D位状态。

目前不仅在豪华车上已经采用，很多国产车上也很多开始采用，它的核心在于自动控制熄火和起动，这项技术可以有效降低发动机怠速空转的时间，在走走停停的交通状况下可以降低排放，还可以提高燃油经济性。

2.7 轻量化技术

实现轻量化在几个方面进行开展，采用新材料，通过降

调质量密度实现降低质量，另外缩小体积，还有采用拓扑优化方案进行减重。

缸体、活塞、缸盖、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、发动机散热器等都采用铝合金材料。缸体还采用了拓扑优化进行了减重，活塞还采用减重坑设计（见图4），连杆、曲轴正在试验采用钛合金材料的，质量轻，并且强度大。这些新技术都为汽车节能减排、提高效率奠定了良好基础。

小型化的，例如1.4L、1.2L、1.0L这样小排量的发动机投入市场。

数据表明，整车质量降低10%，燃油效率可提高5%-8%;质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.5L。发动机在汽车上占有较大比重，因此，小型机轻量化技术降成为主流。

3 结论

以上是七种主流技术的阐述，应用在发动机上，最终的目的就是提高汽车发动机的动力性，提高燃油经济性，降低排放。

参考文献

[1] 催胜民.新能源汽车技术[M].北京：北京大学出版社，2009.

[2] 付京京.汽车轻量化技术的发展状况及其实施途径分析[J].信息系统工程，2016（7）.

[3] 石岩.电子控制技术[M].南京：南京大学出版社，2016.