李忠_基于HyperWorks的某支架模态分析及优化设计

基于Hyperworks的某支架模态分析及优化设计The Modal Analysis and Optimization Design of Bracket Based on Hyperworks

李忠石远进

东风精密铸造有限公司十堰442714

摘要：根据整车设计要求，需提升发电机组合支架的振动性能。本文将两支架进行集成设计，并借助于Hyperworks对发电机组合支架进行了系统模态分析及结构优化设计。通过与实物测试结果对比，分析结果与实物测试结果吻合。CAE分析为产品设计提供了有效参考。关键词：Hyperworks 支架模态分析优化设计

Abstract: According to the requirements for vehicle design, The vibration performance of the generator combination bracket need to be promoted. This article made integrate design for two brackets , in addition, the modal analysis and structure optimization design about the system consist of generator and compressor bracket be done with the aid of hyperworks software. Compared with actual test results, CAE analysis result agree well with test results. The CAE analysis provided effective reference for product design.

Key words: Hyperworks Bracket Modal analysis Optimization design

概述

发电机及压缩机支架作为汽车发动机系统的主要零部件之一，用与发电机、压缩机和发动机的连接，其受到来自发动机不同工作转速下的激励荷载，如果这些激振力的激振频率与支架的某一阶固有频率相吻合或相近，就会产生共振，导致支架局部区域出现很大的共振动载荷，一方面产生很大的噪声，影响车辆的舒适性；另一方面缩短支架的寿命，危及车辆的安全，因此，在支架设计中要求其固有频率高于发动机的工作频率。根据整车设计要求，需提升发电机支架和压缩机支架的振动性能，本文将两支架进行集成设计，并借助于Hyperworks软件[1]对发电机组合支架进行了系统模态分析及结构优化设计。通过与实物测试结果对比，分析结果与实物测试结果吻合。CAE分析为产品设计提供了有效参考。

1 模态分析理论及提取方法

N自由度系统的振动微分方程[2]

Mx’’+Cx’+Kx=f(t)

其中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，f(t)为激励力，对于无阻尼自由

Mx’’+Kx=0

设特解

X=φjωt

则微分方程化为

（K-ω2M）φ=0

得特征方程

|K-ω2M|=0

ω为系统的固有系统，φ为相应的振型

本次分析运用optistruct求解器，使用lanczos方法提取特征值[3]。

2有限元模态分析

2.1 模型的建立

根据设计要求，对发电机、压缩机以及发电机组合支架组成的完整系统进行模态分析，由于发电机和压缩机结构复杂，且缺乏相应的数模，建模时将其抽象为简单的实心体，采用均匀密度法，通过调整其密度控制质量，支架与发电机及压缩机的连接采用螺栓单元模拟，与发动机缸体的连接采用接触刚度（图1）来模拟。基于以上考虑，建立如下的有限元模型（图2）：

图1与发动机连接螺栓模型图2 发电机压缩机支架系统有限元模型

用Tetra4单元划分支架系统网格，其中发电机组合支架划分节点106946个，四面体单元427033个，发电机和压缩机划分节点44566个，四面体单元214825个，支架与发动机连接螺栓刚度如表1所示：

表1支架与发动机连接刚度

2.2 材料属性

计算中用到的材料属性如表2所示（其中发电机和压缩机弹性模量和泊松比均采用原材料参数，密度采用平均密度计算所得）。

表2计算用材料属性

2.3

计算得到支架系统的一阶模态频率为265.4HZ,低于设计要求值320HZ。第一阶模态振型如图3所示，

图3支架系统第一阶模态振型

3 优化设计

3.1 拓扑优化

基于上述分析结果，根据整车设计要求，采用铸铁材质，将发电机支架和压缩机支架进行了集成设计，以达到集成化、轻量化且提高模态频率的设计目的：即集成支架在同等或相近重量前提下，固有频率大于320HZ。本文利用optistruct软件建立如图4所示的模型，以体积为约束条件第一阶模态频率为目标函数，进行拓扑优化[4]，有限元模型如图5所示，球铁参数如表3所示。

图4拓扑设计域模型图5拓扑优化有限元模型

表3球铁材质参数

经过33步迭代后，拓扑优化的结果如图6所示：

图6拓扑优化结果

拓扑优化后第一阶模态频率由220HZ提高到300HZ。

3.2 优化设计方案

设计过程中对支架进行了多方案设计及多次修改，本文选取三种代表性的方案（图7）进行详述。

（a）(b) (c)

图7支架方案设计

根据拓扑优化结果及装配要求，设计了初始方案（a）和方案（b），有限元分析第一阶频率分别为278.5HZ和282HZ，均不满足设计要求。模态振型如下图所示：

图8方案（a）和方案（b）第一阶模态振型

结合方案（a）和方案（b）第一阶模态振型及产品设计经验，通过与整车设计人员的探讨，经多次修改，将结构改进为方案（c），有限元分析第一阶模态频率提高为356HZ，达成了设计要求。其第一阶模态振型如图9所示：

图9 方案（c）第一阶模态振型

集成支架实物与原支架重量、性能对比情况如表4所示：

表4 两种方案重量、性能对比

通过对比可明显看出：集成支架达成轻量化设计，集成球铁支架在重量仅增加5%的前提下，固有频率较铝合金支架提高34.1% 。

4实物测试

按照方案（c）进行试制后，通过力锤激励法模态测试（试验两件），该支架在规定状态下的第一阶模态频率为356.97HZ、356.24HZ。