基于OptiStruct的副車架懸置安裝點動剛度優化

韋健，曾桂芬，王振東

（廣西艾盛創制科技有限公司，廣西 柳州 545006）

引言

汽車副車架是連接車身與底盤的重要部件，同時發動機的一個懸置點也安裝在副車架上。蝶型副車架形似一個封閉的盒子，容易讓發動機的振動噪聲放大，所以，汽車副車架必須要具備很高的NVH性能[1]。通常提高副車架懸置點動剛度的方法有增加板厚、增加懸置加強板等，雖然快速有效，但卻增加了不必要的制造成本，造成材料除了剛度外其他性能的過剩。那么，在不大幅增加板件尺寸重量的前提下，要提高副車架的動剛度性能，就需要對面積大的板件進行起筋，即形貌優化[1-3]。本文介紹的優化方法是利用HyperMesh_ OptiStruct模塊對副車架上片進行形貌優化，并對比優化前后懸置點動剛度水平，驗證優化方法的有效性[4]。

1 副車架模型簡介

蝶形副車架通常由上片、下片、前安裝支架、擺臂安裝支架、縱向加強板等板件組成，其中尺寸最大的是上片和下片。發動機后懸置通常安裝在上片和下片中間位置。

優化前的模型準備工作如下：

在HyperMesh進行網格劃分，鈑金件、焊縫畫3mm殼單元網格，實體件畫3mm的C3D4單元網格；賦予板件材料屬性，其中彈性模量為210000MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-09 t/mm3，屈服強度為305MPa；在副車架的四個安裝孔和發動機后懸置安裝孔創建reb2剛性耦合；創建一個載荷集“SPC”，約束副車架四個安裝點的6個自由度；將懸置安裝孔的耦合中心的節點號命名為1。

另外，如果副車架板面有起筋或者凸起，建議先去掉起筋凸起，保持板面平整，以便形貌優化時尋找最優起筋方式。

圖1 蝶形副車架模型

2 動剛度計算方法

在進行優化前，先備份一個模型，計算懸置點的初始動剛度。動剛度的計算公式如下：

由公式可知，求取動剛度，要求解頻率f和加速度a的值，在軟件中需要設置頻率加速度響應。

這里介紹HyperMesh_OptiStruct模塊里的頻率響應設置工具，利用這個工具可以快速進行動剛度設置。操作如下：

A.進入Tool--Freq Resp Process--Unit input frequency response工具界面；選擇Modal Frequency Response，即模態頻率響應；B.設置起止模態頻率；選擇響應點，這里的響應點就是懸置安裝孔的耦合中心點（節點號為1），然后勾選XYZ三個單位載荷加載方向；C.設置輸出文件類型，這里只需輸出pch文件；D.更新分析步的邊界約束，即關聯“SPC”載荷集。

求取出的動剛度值如表1：

表1 懸置點初始動剛度 剛度N/mm

3 形貌優化設計參數設置

在計算動剛度的模型基礎上，保留懸置點Z向加速度頻率響應分析步，名稱為“FRAUL_Subcase_Frc_1_Z”。另外，需要新建一個模態分析步“Mode”，作為頻率響應及目標的設置對象，模態求解的頻率范圍為50-400Hz。

進入Analysis--Optimization面板--topography功能，創建一個形貌優化任務，對象為副車架上片和下片；設置起筋寬度6mm，起筋角度60度，起筋高度8mm；筋條走向pattern grouping選項暫不設置；在bounds選項設置節點限制，Upper Bound=1，Lower Bound=0，這里UB=節點移動上限/起筋高度。

完成形貌優化設計參數的設置，下面進行優化參數設定。

4 響應/約束/目標設定

由動剛度公式K=（2πf）2/a可知，響應點的加速度越小，則剛度值越大。優化的原理就是約束響應點的大加速度值，得到動剛度最低值的最大化效果。

響應設置：進入Analysis—Optimization—responses，創建一個名為“Acc”的響應，響應類型frf acceleration（加速度），選擇magnitude（量級），響應點nodes選擇懸置安裝孔的耦合中心點（節點號為1），方向選擇dof3，即Z向；再次創建一個名為“freq”的響應，響應類型為frequency（頻率），模態階數Mode Number填寫1階。

約束設置：在Analysis—Optimization—dconstraints界面，創建一個名為“Acc”的約束，約束的響應選擇“Acc”響應，勾選最大值upper bound=1000，載荷步Loadsteps選擇“FRAUL_Subcase_Frc_1_Z”分析步。

目標設置：進入Analysis—Optimization—objective，目標類型選擇Max，目標響應選擇“freq”，載荷步Loadstep選擇“Mode”，意思是一階模態值最大化，即剛度最大化。

5 讀取形貌優化結果

提交計算后，用HyperView打開h3d結果文件，得到的起筋結果如下：

圖2 形貌優化結果

從中我們可以讀取副車架上片的起筋走向，如圖3標出來的四個區域：

圖3 讀取起筋走向

6 副車架起筋

我們可以先在HyperMesh進行簡單地起筋，然后計算懸置點動剛度，查看動剛度水平是否有提升。若是起筋能提高動剛度，再將優化建議交給結構設計工程師，由結構設計工程師完成副車架的起筋。

這里我們對圖3中的2、3區域進行簡單起筋，利用HyperMesh的translate工具即可完成。

完成簡單起筋，再次計算懸置點動剛度，得到的結果如下表2所示：

表2 形貌優化后懸置點動剛度 剛度N/mm

對比表1，懸置點最低平均值為Z向的2248，稍微下降了一點；而動剛度最低值由765N/mm提升至842N/mm，有小幅提升。可以推斷，對整個上下片進行起筋優化，將會大幅提升懸置的動剛度水平。

7 結語

本文講述了利用Optistruct的形貌優化功能，對副車架上片進行簡單的起筋優化，使得發動機懸置安裝點的動剛度最低值提升了10%，驗證了形貌優化方法的有效性。從優化結果可以得出：利用Optistruct形貌優化技術，可以大幅減少鈑金件的尺寸重量，從而節省制造成本，提高產品的經濟性。