悬置支架的NVH性能优化设计

ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１９.０２.０４２
悬置支架的ＮＶＨ性能优化设计∗
宋立爽
(河北中兴汽车制造有限公司ꎬ河北保定㊀０７１０００)
摘㊀要:利用有限元分析技术对某车型的发动机悬置支架进行了约束模态分析ꎬ得到了发动机悬置支架的第一阶模态频率和振型ꎬ并对分析结果进行了评价和分析ꎮ为了满足ＮＶＨ性能要求ꎬ对悬置支架进行了结构优化ꎬ并对优化后的支架进行了验证分析ꎬ优化后的悬置支架模态固有频率满足ＮＶＨ性能要求ꎮ
关键词:悬置支架ꎻ模态ꎻＮＶＨꎻ有限元ꎻ优化设计
中图分类号:ＴＨ１２２㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０１９)０２－０１４１－０２
ＴｈｅＮＶＨＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＰｏｗｅｒｔｒａｉｎＭｏｕｎｔＢｒａｃｋｅｔ
ＳＯＮＧＬｉ－ｓｈｕａｎｇ
(ＨｅｂｅｉＺｈｏｎｇｘｉｎｇＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄꎬＢａｏｄｉｎｇＨｅｂｅｉ㊀０７１０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｍｏｄｅｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆｅｎｇｉｎｅｍｏｕｎｔｂｒａｃｋｅｔｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＦＥＡｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｍｏｄｅｓｈａｐｅｏｆｔｈｅｍｏｕｎｔｂｒａｃｋｅｔａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ.ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅＮＶＨｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓꎬｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｏｕｎｔｂｒａｃｋｅｔｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄꎬａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｍｏｕｎｔｂｒａｃｋｅｔｉｓａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｆｏｒＮＶＨ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｏｕｎｔｂｒａｃｋｅｔꎻｍｏｄｅꎻＮＶＨꎻＦＥＡꎻｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
０㊀引㊀言
发动机是汽车的动力源ꎬ也是汽车最主要的噪声源和振动源ꎮ发动机的振动如果没有有效地被隔离开来ꎬ就会传到汽车的各个部位ꎬ最后到达驾驶员和乘客ꎬ从而影响人的听力和舒适性ꎮ动力装置隔振系统的设计是减小发动机振动与噪声的一项关键技术ꎮ隔振装置的隔振效果取决于隔振器的刚度ꎬ为了达到良好的隔振效果ꎬ支架的刚度必须要比隔振器的刚度大到一定程度ꎮ通常遵循两个标准ꎬ一个标准是支架刚度应该是隔振器刚度的６~１０倍ꎬ另一个标准是支架的最低模态频率应该在５００Ｈｚ以上[１]ꎮ
模态是机械结构的固有振动特性ꎬ每一个模态具有特定的固有频率㊁阻尼比和模态振型ꎮ这些模态参数可以由计算或实验分析取得ꎬ其计算或实验分析过程称为模态分析ꎮ计算模态分析即有限元模态分析ꎬ是把要分析的结构细分为有限个形状简单的微小网格单元ꎬ再将其综合起来进行近似计算ꎬ是在很多领域得到广泛应用的一种模拟实验技术ꎬ属于动态分析有限元方法[２]ꎮ
１㊀有限元模型建立
１.１㊀几何模型处理
悬置支架一般为铸件或者钣金件ꎮ本文以某皮卡车型的左悬置下支架为研究对象ꎬ对其进行约束模态分析和结构优化ꎬ其结构如图１所示ꎮ首先ꎬ将悬置支架的三维模型导入到前处理软件中ꎬ导入的几何模型可能会存在多余的点㊁线和面ꎬ及细小几何特征如小的工艺孔㊁小圆角等ꎮ所以ꎬ需对导入的几何模型进行相应的几何清理ꎬ去除多余特征㊁填补缺失几何等ꎮ几何清理完成后ꎬ要对几何模型进行完整性检查ꎬ检查没有问题后ꎬ对支架的进行抽取中面处理ꎮ
１.２㊀网格划分
悬置钣金支架的网格单元类型选择四边形壳单元ꎬ单元尺寸一般设置为８ｍｍˑ８ｍｍꎬ可以根据实际模型的规模ꎬ对单元尺寸进行调整ꎮ网格划分时ꎬ先采用自动网格划分功能ꎬ对几何模型进行初步的网格划分ꎮ然后对于网格质量较差的局部区域ꎬ使用手工调整网格功能对网格进行局部质量调整ꎬ以提高网格质量ꎮ为了保证分析结果的精确度ꎬ网格中所产生的三角形壳单元的比例控制在１０％以内ꎮ
网格划分完成后ꎬ需要对网格质量进行检查ꎬ包括网格的长宽比㊁翘曲度㊁雅克比㊁最小尺寸㊁三角形单元比例等ꎮ同时不允许有重复节点(单元)㊁自由零部件等ꎻ在零件的边缘处尽量不要有三角形单元ꎻ所有网格方向必须一致ꎮ
悬置支架各零部件的连接方式主要是焊接ꎮ网格划分完成后ꎬ根据数模的连接方式ꎬ对各零部件创建连接单元来模拟焊接ꎮ
将与悬置支架连接的悬置壳体以集中质量形式
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机械研究与应用 ２０１９年第２期(第３２卷ꎬ总第１６０期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀设计与开发
∗收稿日期:２０１９－０２－１６
作者简介:宋立爽(１９８３－)ꎬ女ꎬ河北巨鹿人ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ研究方向:汽车ＮＶＨ仿真分析ꎮ
施加在其质心位置ꎬ并通过刚性单元与支架上的固定点相连接ꎮ
１.３㊀分析方法及边界条件
在常用的有限元分析软件中ꎬ一般会提供多种模态提取方法ꎬ适用于不同的分析模型ꎮ选择合适的模态提取方法对悬置支架进行模态分析非常重要ꎬ直接影响到计算求解的速度和精度ꎮ常用的模态提取方法有:
(１)子空间迭代法ꎬ用于求解特征值对称的大矩阵问题ꎮ(２)兰索斯法ꎬ收敛速度快ꎬ采用稀疏矩阵求解方法ꎮ
(３)凝聚法ꎬ采用缩减的系统矩阵来求解ꎬ比子空间迭代法求解速度快ꎬ但是准确度差一些[３]ꎮ
本文采用兰索斯法对悬置下支架进行约束模态分析ꎬ在支架与车架连接处施加固定约束ꎬ计算支架
的第一阶模态ꎮ
２㊀模态分析
２.１㊀计算求解
有限元模型搭建完成后ꎬ将支架的有限元模型提交到求解器进行计算分析ꎬ得到分析结果文件ꎮ
２.２㊀结果处理
计算完成后ꎬ将分析结果文件导入到后处理软件中ꎬ对计算结果进行处理ꎮ计算得到该悬置下支架的第一阶模态频率为３２８Ｈｚꎬ振型如图２所示ꎮ悬置支架的第一阶模态频率低于目标值５００Ｈｚ的要求ꎬ影响悬置的隔振性能ꎬ需要对悬置支架进行结构优化
ꎮ
图１㊀悬置下支架结构㊀㊀㊀㊀图２㊀支架模态振型图
３㊀优化设计
根据后处理软件中显示的悬置支架的模态应变能云图ꎬ找出支架在第一阶模态中的应变能集中区域ꎬ并对应变能较为集中的区域进行局部加强ꎬ将支架的底座截面加长ꎬ同时将支架的安装面做翻边处理ꎮ具体加强优化方案如图３所示ꎮ
针对加强后的悬置支架重新进行模态计算分析ꎬ分析结果显示优化后的悬置支架第一阶模态频率为
５９１Ｈｚꎬ如图４所示ꎮ
图３㊀悬置支架优化方案㊀图４㊀优化后的支架模态振型图
㊀㊀由以上优化分析结果看出ꎬ优化后的悬置下支架
第一阶模态频率达到了目标值ꎬ满足ＮＶＨ性能要求ꎮ
４㊀结㊀语
利用有限元分析技术对某皮卡车型的悬置下支架的约束模态进行了仿真分析ꎬ并对分析结果进行评价ꎬ针对悬置支架第一阶模态频率不满足５００Ｈｚ要求的问题ꎬ对悬置支架进行了局部结构加强优化设计ꎬ并对优化后的悬置支架结构进行了约束模态分析ꎬ计算结果证明ꎬ加强优化方案是有效的ꎬ优化后的悬置支架的第一阶态频率为５９１Ｈｚꎬ达到了目标值要求ꎮ参考文献:
[１]㊀庞㊀剑ꎬ谌㊀刚.汽车噪声与振动理论与应用[Ｍ].北京:北京理
工大学出版社ꎬ２００６.
[２]㊀周永新.应用模态分析的振动支架优化设计[Ｊ].现代制造工程ꎬ
２００９(８):１０５.
[３]㊀傅志方.模态分析理论与应用[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ
２０００.
２４１ 设计与开发㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年第２期(第３２卷ꎬ总第１６０期) 机械研究与应用。