基于HyperMesh的某乘用車發動機懸置支架輕量化設計

張永康，廖武，梁林，李龍晶，苗文杰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperMesh的某乘用車發動機懸置支架輕量化設計

張永康，廖武，梁林，李龍晶，苗文杰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用有限元分析軟件HyperMesh建立某乘用車發動機懸置支架的CAE模型，通過模擬整車工況對其進行受力分析，根據應力云圖分布情況設計懸置支架的最優化降重方案。結合三維設計軟件CATIA對懸置支架的三維模型進行結構優化，最后對優化結構再行應力分析校核，確保優化結構的合理性，以實現降重目標。

懸置支架；應力分析；結構優化；降重

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.037

CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-110-03

引言

發動機懸置支架是乘用車連接發動機和懸置總成的重要零部件，其承受來自動力總成的復雜的力和力矩。在整車結構中，懸置支架作為A類件（最重要的零部件類），設計時對其強度有著較高的要求。而隨著我國汽車行業的高速發展，國家對整車油耗要求越來越高，人們對汽車節能減排的問題日益關注，整車零部件的輕量化也越來越受到主機廠以及市場客戶的重視。所以，發動機懸置支架在設計之初要求在滿足強度目標的前提下，盡可能的減輕其自身重量[1]。

本文以某乘用車發動機懸置支架作為優化設計對象，應用CAE分析軟件HyperMesh中的OptiStruct模板，通過模擬整車24種工況進行受力分析，得到各工況下懸置支架的應力云圖。依據“薄弱處加強、強固處削弱”的原則，對懸置支架進行輕量化設計，并對其合理性進行反向有限元分析校核，保證在滿足強度要求的同時達到降重目標。

1、懸置支架受力分析

1.1 CAE模型建立

HyperMesh是一個高質量高效率的有限元前處理軟件，其強大的幾何清理功能可以方便靈活的對幾何模型進行清理和優化，高質量的網格劃分技術可以快速有效的完成實體模型的二、三維網格劃分，先進的網格變形技術可直接更改現有網格，無需重構模型即可實現新的設計。HyperMesh的上述特點在很大程度上提高了CAE建模的效率和質量，以便工程師把更多的精力放在后續對產品本身性能的研究和改進上，從而大大縮短整個設計周期[2]。

首先在CATIA中初步建立發動機懸置支架的三維實體模型（如圖1所示），并將之導入HyperMesh中進行網格劃分，建立懸置支架的有限元模型。模型采用四面體單元網格，網格大小為3mm，并設定彈性模量E=1.69×105MPa，泊松比μ=0.275，材料為QT450-10。材料屈服極限310MPa，抗拉極限450MPa，密度ρ=7.1×10-9t/mm3，取支架安全系數＞2。有限元模型如圖2所示。

圖1 懸置支架三維模型

圖2 懸置支架有限元模型

1.2 約束與加載

將發動機簡化為剛體、懸置支架簡化為懸臂梁。約束與發動機連接的四個安裝孔的全部自由度，即相當于約束懸臂梁一端的6個自由度，然后在另一端進行加載。加載點為懸置總成的彈性中心，即為懸置支架與懸置總成接觸面上連接孔中心向下偏移6mm位置，所加載荷為模擬整車24種工況下所提取的力，其中前10種工況為典型工況，其余工況為極限工況，其大小如表1所示，加載后模型如圖3所示[3]。

圖3 模型約束及加載

1.3 受力分析

圖4 4極限工況應力云圖

用OptiStruct求解器對原懸置支架模型進行受力分析，得到24種工況下懸置支架應力云圖及各工況下所受最大應力，且最大應力出現在工況21下，σmax=192.8MPa，安全系數為2.3。圖4為4種極限工況下懸置支架應力云圖。

表1 懸置支架工況載荷

由上述分析結果可以看出，所選定的懸置支架強度滿足設計要求，且有較高的安全系數。該支架重量為1.63Kg，降重空間較大，需在滿足強度要求的基礎上對該支架進行輕量化設計。

2、懸置支架輕量化設計

2.1 降重優化空間的設定

對各工況下懸置支架的應力云圖進行綜合分析發現：支架的外輪廓所受應力普遍較小，只有幾十兆帕，兩端安裝孔外圍幾乎不受力；三處加強筋最大應力約150MPa左右，安全系數較高；支架整體受力情況良好，只有部分倒角位置存在應力集中。

根據上述分析結果，對原懸置支架結構做出如下調整：

（1）對支架外輪廓進行削減。確保在滿足安裝接觸面及標準件法蘭面貼合的前提下，將支架外輪廓設計成最小；

（2）凹槽優化設計。在保證強度安全系數＞2的前提下，將凹槽壁厚及三處加強筋厚度由10mm減小到6mm；

（3）設計局部加強、削弱特征。對應力云圖上應力偏小或相對安全的部位進行結構優化，將支架材料均勻分布，進而使支架各處安全系數均勻，且＞2。

（4）重新設定支架各處倒角，使支架整體圓滑過渡，避免出現應力集中。

2.2 結構優化

綜合考慮懸置支架的工藝性、可裝配性及上述結構調整內容，對支架結構進行優化，優化后的懸置支架如圖5所示。

圖5 優化后懸置支架三維模型

優化后的懸置支架重量為1.21Kg，較優化前減輕0.42Kg，實現單個支架降重26%，降重效果明顯且可觀。

3、輕量化設計結果驗證

為了保證新的懸置支架能夠滿足結構強度要求，仍按照上述受力分析方法對新的支架進行24種工況受力分析，得到各工況下的最大應力及應力云圖。如表2和圖6所示。

圖6 幾種極限工況應力云圖

表2 幾種工況下的最大應力及安全系數

從以上分析結果可以看到，降重優化后的懸置支架在24種工況下所受到最大應力σmax=219.4MPa，其安全系數為2.05＞2。同時，對比優化前的懸置支架應力云圖可知，新的懸置支架應力分布更加均勻，各處材料利用更加充分。所以，上述懸置支架的輕量化設計較為合理，且新的支架強度和重量都能滿足設計需求。

4、結論

本文以某車型發動機懸置支架作為輕量化設計對象，通過三維模型制作、有限元模型建立、強度分析、結構優化等方法，將懸置支架的重量由最初的1.63Kg減輕至1.21Kg，實現降重26%。并通過CAE分析校核，進一步確保了輕量化設計方案的可行性和合理性，在保證強度可靠的同時，實現了懸置支架的輕量化目標。

[1] 吳仕賦.基于有限元汽車支架拓撲優化設計[D].吉林大學.2005.

[2] 王鈺棟等.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M].北京:機械工業出版社,2012.

[3] 何偉麗等.基于HyperMesh懸置支架強度分析[J].農業裝備與車輛工程,2015,53（3）：15-17.

The Lightweight Design of A Passenger Car Engine Mount Bracket Based on HyperMesh

Zhang Yongkang, Liao Wu, Liang Lin, Li Longjing, Miao Wenjie
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

This paper by using the finite element analysis software HyperMesh to establish the CAE model of a passenger car engine mount bracket, and performed stress analysis of it under the vehicle condition. According to the distribution of the stress nephogram, formulate an optimization scheme to reduce the weight of the bracket, then optimize the structure of the 3D model by CATIA. Finally recheck the reliability of the optimized structure of the new bracket, to verify the rationality of the scheme, and realize lightweight design.

mount bracket; stress analysis; structure optimization; weight reduction

U463.82

A

1671-7988 (2016)12-110-03

張永康（1990—），男，底盤設計工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事乘用車懸置系統的設計工作。