基于OptiStruct的副车架悬置安装点动刚度优化

2021-05-26韦健曾桂芬王振东

汽车实用技术 2021年9期

韦健，曾桂芬，王振东

（广西艾盛创制科技有限公司，广西柳州 545006）

引言

汽车副车架是连接车身与底盘的重要部件，同时发动机的一个悬置点也安装在副车架上。蝶型副车架形似一个封闭的盒子，容易让发动机的振动噪声放大，所以，汽车副车架必须要具备很高的NVH性能[1]。通常提高副车架悬置点动刚度的方法有增加板厚、增加悬置加强板等，虽然快速有效，但却增加了不必要的制造成本，造成材料除了刚度外其他性能的过剩。那么，在不大幅增加板件尺寸重量的前提下，要提高副车架的动刚度性能，就需要对面积大的板件进行起筋，即形貌优化[1-3]。本文介绍的优化方法是利用HyperMesh_ OptiStruct模块对副车架上片进行形貌优化，并对比优化前后悬置点动刚度水平，验证优化方法的有效性[4]。

1 副车架模型简介

蝶形副车架通常由上片、下片、前安装支架、摆臂安装支架、纵向加强板等板件组成，其中尺寸最大的是上片和下片。发动机后悬置通常安装在上片和下片中间位置。

优化前的模型准备工作如下：

在HyperMesh进行网格划分，钣金件、焊缝画3mm壳单元网格，实体件画3mm的C3D4单元网格；赋予板件材料属性，其中弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，密度为7.85E-09 t/mm3，屈服强度为305MPa；在副车架的四个安装孔和发动机后悬置安装孔创建reb2刚性耦合；创建一个载荷集“SPC”，约束副车架四个安装点的6个自由度；将悬置安装孔的耦合中心的节点号命名为1。

另外，如果副车架板面有起筋或者凸起，建议先去掉起筋凸起，保持板面平整，以便形貌优化时寻找最优起筋方式。

图1 蝶形副车架模型

2 动刚度计算方法

在进行优化前，先备份一个模型，计算悬置点的初始动刚度。动刚度的计算公式如下：

由公式可知，求取动刚度，要求解频率f和加速度a的值，在软件中需要设置频率加速度响应。

这里介绍HyperMesh_OptiStruct模块里的频率响应设置工具，利用这个工具可以快速进行动刚度设置。操作如下：

A.进入Tool--Freq Resp Process--Unit input frequency response工具界面；选择Modal Frequency Response，即模态频率响应；B.设置起止模态频率；选择响应点，这里的响应点就是悬置安装孔的耦合中心点（节点号为1），然后勾选XYZ三个单位载荷加载方向；C.设置输出文件类型，这里只需输出pch文件；D.更新分析步的边界约束，即关联“SPC”载荷集。

求取出的动刚度值如表1：

表1 悬置点初始动刚度刚度N/mm

3 形貌优化设计参数设置

在计算动刚度的模型基础上，保留悬置点Z向加速度频率响应分析步，名称为“FRAUL_Subcase_Frc_1_Z”。另外，需要新建一个模态分析步“Mode”，作为频率响应及目标的设置对象，模态求解的频率范围为50-400Hz。

进入Analysis--Optimization面板--topography功能，创建一个形貌优化任务，对象为副车架上片和下片；设置起筋宽度6mm，起筋角度60度，起筋高度8mm；筋条走向pattern grouping选项暂不设置；在bounds选项设置节点限制，Upper Bound=1，Lower Bound=0，这里UB=节点移动上限/起筋高度。

完成形貌优化设计参数的设置，下面进行优化参数设定。

4 响应/约束/目标设定

由动刚度公式K=（2πf）2/a可知，响应点的加速度越小，则刚度值越大。优化的原理就是约束响应点的大加速度值，得到动刚度最低值的最大化效果。

响应设置：进入Analysis—Optimization—responses，创建一个名为“Acc”的响应，响应类型frf acceleration（加速度），选择magnitude（量级），响应点nodes选择悬置安装孔的耦合中心点（节点号为1），方向选择dof3，即Z向；再次创建一个名为“freq”的响应，响应类型为frequency（频率），模态阶数Mode Number填写1阶。

约束设置：在Analysis—Optimization—dconstraints界面，创建一个名为“Acc”的约束，约束的响应选择“Acc”响应，勾选最大值upper bound=1000，载荷步Loadsteps选择“FRAUL_Subcase_Frc_1_Z”分析步。

目标设置：进入Analysis—Optimization—objective，目标类型选择Max，目标响应选择“freq”，载荷步Loadstep选择“Mode”，意思是一阶模态值最大化，即刚度最大化。