某车型发动机悬置后支架优化设计和疲劳分析

摘要： 针对某车型发动机在振动强化试验中悬置后支架出现开裂的问题，建立悬置后支架有限元模型并进行应力分析，发现应力分析结果与试验结果一致，且原支架结构应力集中现象非常明显，主要分布在侧筋根部；用OptiStruct对悬置后支架进行拓扑优化设计，结果表明拓扑优化材料应主要布置在底部和侧筋.在此基础上，通过4种优化方案的对比得到质量最轻、应力水平最低且应力分布比较均匀的轻量化设计方案，并分析更替材料的合理性；对原结构和优化后的结构进行疲劳分析，发现原结构侧筋根部疲劳寿命最短，新结构的疲劳区域较小.优化后的悬置后支架不仅解决开裂问题，而且在的前提下确保材料替换的合理性并得到性能提升.

关键词： 发动机； 悬置后支架； 结构设计； 拓扑优化； 轻量化设计； 疲劳分析

中图分类号： U464.131; TB115.省略

Optimization design and fatigue analysis on engine rear

mount bracket of automobile

SU Xintao, CHEN Zhi

(Technology Center, Changsha Automobile Manufactory, Beiqi Foton Motor Co., Ltd., Changsha 410129, China)

Abstract： As to the problem that there is cracks on engine rear mount bracket of an automobile during vibration enhancement test, the finite element model of rear mount bracket is established and the stress is analyzed, the result is consistent with the test result, and the stress concentration on the original bracket structure is obvious, which is mainly located at the side rib bottom; topology optimization design is performed on rear mount bracket by OptiStruct and the results indicate that the topology optimization material should be arranged at the bottom and the side ribs; based on the optimization results, four optimization schemes are compared to obtain the lightweight design with lightest mass, lowest stress level and better stress distribution, and the substituted material is analyzed to prove the rationality; fatigue analysis is performed on original structure and the optimized structure, and the results indicate that the life of the side ribs bottom is shortest and the fatigue area of the new structure is small. The optimized rear mount bracket can overcome the crack problem, and ensure the rationality of substituted material and performance improvement.

Key words： engine; rear mount bracket; structure design; topology optimization; lightweight design; fatigue analysis

0引言

在竞争激烈的汽车行业，加快产品研发速度、降低产品成本和提高产品可靠性等已成为企业提高产品竞争力的关键.发动机悬置支架是动力总成悬置系统的安全件和功能件［1］，其连接发动机和车架，在车辆的各种行驶工况下传递作用在动力总成上的一切载荷.如果设计得较厚重，虽然能保证强度性能，但材料成本增加；如果设计得较薄，在车辆行驶或进行试验时可能造成支架断裂，严重影响车辆的安全性、发动机的寿命［2］.因此，在进行发动机悬置系统设计时，应对支架的强度和疲劳进行分析、验证，以确保支架的结构性能.

某车型发动机在进行振动强化试验过程中悬置后支架出现裂纹，表明该支架结构存在设计缺陷，应重新进行设计.按照该发动机悬置支架承载和振动强化试验情况，对原支架进行结构分析、轻量化设计以及疲劳分析.

1发动机悬置后支架结构分析

发动机悬置后支架有限元模型采用实体单元划分网格，共计27 880个单元，见图1.该支架为铸钢ZG310-570，具体材料参数如下： 弹性模量E为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7.85×103 kg/m3，屈服强度≥310 MPa，抗拉强度≥570 MPa.

在进行结构分析时，完全约束支架与车架连接的4个螺栓处，载荷38 000 N均布施加在支架底面，见图2.分析结果见表1及图3和4.

由表1和图3可知，原支架结构的应力集中现象非常明显，主要分布在侧筋根部，其最高von Mises应力值高于支架材料的屈服极限（310 MPa）.由图4可知，应力分析结果与试验结果一致，表明有限元分析结果能较准确地反映结构的实际受力状况.因此，有必要对原支架结构重新进行优化设计.

2发动机悬置后支架拓扑优化

拓扑优化是一种在一定空间区域（骨架结构或连续体）内寻求材料最合理分布的优化方法.［3］本文采用OptiStruct软件进行优化，通过定义设计目标、约束条件［4］等实现最佳的材料分布，达到发动机后支架应力水平降低、刚度性能提升以及轻量化设计的目的.

设置参数如下：设计目标为挠度最小，即该支架刚度最大；约束条件是体积分数的上限值，为0.45，即控制优化后的体积以减轻质量.

优化前，首先对发动机悬置后支架进行空间填充，拓扑优化结构模型见图5.

经过32步迭代后，材料密度分布见图6，可知拓扑优化材料主要布置在底部和侧筋.

在进行新发动机悬置后支架优化设计时，除按照拓扑优化结果进行材料布置设计外，还应考虑新发动机后支架便于设计制造和更换材料，同时注重局部细小特征以体现精细化设计理念.因此，在进行优化设计时遵循以下原则：(1)减少大平面；(2)剔除多余结构；(3)壁厚均匀、突出筋骨；(4)注重细节.在这基础上提出4种优化方案，见图7.4种优化方案仿真结果对比见表2，应力分布见图8.

从4种优化方案分析结果看，优化方案4质量最轻、应力水平最低、应力分布最均匀，因此，最终确定新发动机悬置后支架结构为优化方案4.新发动机悬置后支架结构和后支架底部结构见图9和10.

与原支架相比，新结构在侧筋和底部结构进行加强.该结构大平面较少、筋骨突出，体现轻量化、精细化设计思想.

3更替材料的合理性分析

该支架经过重新优化设计，结构的应力水平较低，因此进行替换成本较低材料的合理性分析.铸钢材料参数及优化前、后分析结果见表3和4.

表3铸钢材料参数对比

Tab.3Comparison of material parameters of cast steel参数ZG310-570ZG230-450弹性模量/GPa210210泊松比0.30.3密度/(kg/m3)7 8507 850屈服强度/MPa≥310≥230抗拉强度/MPa≥570≥450延伸率/%≥15≥22

表4优化前、后仿真结果对比

Tab.4Simulation result comparison before and after

optimization参数优化前优化后材料ZG310-570ZG230-450von Mises应力/MPa358214，小于230，降低40%拉应力/MPa358202，小于450，降低44%拉应力水平下安全因数1.62.2，增加38%位移/mm0.830.65，降低22%质量/kg6.64.9，降低26%

由表4可知，当新支架采用铸钢ZG230-450材料时，最高von Mises应力低于材料的屈服强度（230 MPa）；最高拉应力低于材料的抗拉强度（450 MPa）；安全因数为2.2；单台车可3.4 kg.

根据笔者所在单位2010年使用该支架的整车销量（约1.5万辆）及铸钢ZG230-450的当前市场价（约15 元/kg）推算，采用优化支架后能实现经济效益高达76.5万元.

4优化后发动机悬置后支架疲劳分析

疲劳台架试验是评价发动机悬置后支架疲劳品质的主要办法之一［5］，但台架试验费用高、周期长且问题大多出现在产品设计完成后，对设计更改带来一定难度.采用有限元模拟台架疲劳试验，可在设计初期通过仿真手段为结构设计提出合理的改进方案，从而取代部分疲劳试验，大幅降低工作量.

对支架原方案和新方案进行S-N(全寿命）分析［6］，分析时采用常应变幅载荷，见图11.发动机悬置后支架优化前、后所用材料分别为ZG310-570和ZG230-450.疲劳分析结果见图12.

由分析结果可知，原后支架采用ZG310-570材料，其结构侧筋根部疲劳寿命最短，最低循环寿命为6.5E+3次，与试验结果基本吻合；新后支架采用ZG230-450材料，其结构疲劳循环最低处出现区域较小，主要位于腹板下孔拐角处，最低循环为2.8E+4次，且疲劳寿命高于原后支架4.3倍.因此，新发动机后支架设计合理，在质量大大减轻的情况下大幅提高疲劳寿命，具有较高的实用价值.

5结束语

通过拓扑优化对发动机悬置后支架进行优化设计，再进行材料替换和疲劳分析，使新后支架结构不仅解决试验时的开裂问题，而且在的前提下确保材料替换的合理性并提升结构的性能.

参考文献：

［1］滕腾. 发动机悬置的分析研究［J］. 汽车工艺与材料, 2006(4): 1-3.

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［2］赵艳青, 刘本元, 上官文斌. 汽车动力总成悬置支架的优化设计［J］. 汽车科技, 2007, 5(3): 23-25.

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［3］周传月, 腾万秀, 张俊堂. 工程有限元与优化分析应用实例教程［M］. 北京: 科技出版社, 2005: 33-34.

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［5］于莉, 吴光强. 基于虚拟台架试验的后悬架疲劳分析［J］. 计算机辅助工程, 2006, 15(S1): 128-130.

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［6］潘孝勇, 柴国钟, 刘飞, 等. 悬置支架的优化设计与疲劳寿命分析［J］. 汽车工程, 2007, 29(4): 341-345.

PAN Xiaoyong, CHAI Guozhong, LIU Fei, et al. Design optimization and fatigue live analysis for transmission mount bracket［J］. Automotive Eng, 2007, 29(4): 341-345.