模态分析在发动机托架中的应用(5页).doc

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1、-模态分析在发动机托架中的应用1 概述 由于发动机托架属于底盘的重要组成件，它对车辆的机动灵活性和操纵稳定性有直接影响，因此对发动机托架的设计提出了较高的要求，其中最基本同时也是最重要的属性要求是动刚度性能，必须进行相关的模态分析。通过模态分析不仅可以全面了解结构的动刚度性能，找到薄弱点或者产生刚度偏低的原因，并且可以通过与类似发动机托架的横向对比，找出结构上优缺点的共性，便于从根源上进行弱点分析并得出最优化设计方案。 作为Altair公司力作之HyperMesh，HyperView和OptiStruct，不仅具有强大的实体建模、曲面造型和虚拟装配等设计功能，进行有限元分析；更突出的是，有限元

2、分析后续的优化分析简便快捷，可以在满足以上设计分析要求的情况下，尽量减轻质量，降低材料消耗和大幅缩短分析周期，实现设计分析的合理性和高效性。2 有限元模型的建立 由于发动机托架的零部件与连接件比较多，现选择其主体部分（前、后、左、右托架）进行有限元分析。基础车发动机托架类同，见图1、2所示。 图1 基础车发动机托架有限元模型 图2 发动机托架有限元模型 2.1 网格划分 采用二维单元进行网格划分。结点数和单元数见表1、2。 表1 发动机托架的结点数和单元数表2 基础车发动机托架的结点数和单元数2.2 材料与属性 为计算对比方便，所使用的材料参数统一如下： 弹性模量：210GPa 材料密度：7.

3、85e3kg/m3 泊松比：0.3 长度单位为：mm 3 边界条件 发动机托架计算工况为070Hz的自由模态，基础车发动机托架与之保持一致。 4 计算结果 分析中自由模态频率开始于0Hz，必然出现6个刚体模态，但是刚体模态不是分析目标所在，因此在结果中舍去。从下表可知，频率截止到70Hz是为了保证截止频率误差对分析结果的影响最小化，兼之分析目标需要，取前4阶模态进行分析。详细结果见表3所示。 表3 发动机托架与基础车发动机托架前4阶自由模态结果 与基础车发动机托架相比，发动机托架不仅出现两次一阶扭转变形，并且在最关键的第一阶扭转频率（15.0Hz）之上低于基础车（16.9Hz），更加接近发动机

4、本身的激振频率带上限，有发生共振的隐患；此外发动机托架全局模态27.0Hz比基础车相应一阶弯曲模态23.5Hz更加接近发动机怠速频率带，其NVH性能显然低于基础车，综上，发动机托架必须进行优化。 5 优化设计 5.1 结构对比分析 发动机托架之所以与基础车存在性能差距，与两者间结构的差异密切相关。从结构对比分析入手，不仅有助于找出弱点位置，而且可以通过归纳总结出类似结构共同属性，有利于工程经验的积累。 后托架形状与曲率的变化必然影响结构动态刚度，因为后托架是一个比较大的件，相对于其他组件对刚度起更大的作用；前托架与基础车相比减弱明显，通过下图对比分析可以看出，基础车发动机托架的前悬位置是在受力

5、方向（-Z向）以闭环形式与支撑件搭接，而研究的发动机托架是在于载荷方向垂直的方向上进行连接，并且属于敞口结构；左右托架的纵向延长也必然导致刚度下降，原因是左、右托架较之前、后托架无论是在结构上还是本身厚度上都偏弱，是刚度的一个明显弱点；此外，前覆盖件的形状改变对刚度也会产生影响，但具体是正面影响还是负面影响必须通过后续分析才能得出。 5.2 优化方向 总体上优化方向基于厚度、形状与连接方式三方面综合考虑，所涉及到的材料由于弹性模量与密度相差很小，因此不予考虑。此外，轻量化始终是当代汽车设计的一个核心发展方向，本分析中减重将是高度关注的内容。 5.3 优化方案 基于上述优化方向，本分析一共设计了

6、30种方案，由于篇幅所限，这里只选取有代表性的三种方案，见表5与图3、4所示，其中m表示改进方案与原方案的质量差。 表4 三种代表性方案汇总图3 方案1右托架与前、后托架连接处增加翻边与焊点示意图 图4 方案2左、右托架与前托架连接处延长并增加两个螺栓连接示意图 5.4 优化结果 优化结果：增强前、后托架与左、右托架的搭接对发动机托架动刚度影响明显，因为前述结构差异决定了刚度的大小，而单纯的加强前托架与左、右的连接对动刚度影响甚微。具体见表6所示，其中m表示改进方案与原方案的质量差。 表5 优化结果汇总 方案一对模态的影响很大，一阶扭转频率提高到27.2Hz，已经位于发动机怠速频率带之内；一阶

7、弯曲达到34.5Hz，与车身等部件的自由模态频率存在耦合可能性，说明刚度的增加必须有一定限度，方案一不可取。 方案二与原方案的结果相近，同样不可取，原因是单纯增强前托架与左、右托架的连接并不能改善整体结构的刚度，或者说原结构的弱点不在这里。 方案三是在方案一的基础上减重，根据是方案一对左、右托架与原托架连接处加强过度，减小了其厚度，结果较之原方案有明显提高，同时一阶扭转频率23.9Hz避开怠速频率带，一阶弯曲频率32.9Hz相对于方案一要好，但是也存在耦合可能。 综上，方案三优于方案一和方案二。 6 结论 通过实例可以看出，模态分析在设计分析中具有重要意义，可以在保持原设计状态的前提下，找出薄弱点或对结构动刚度产生影响的原因，并且可以在满足设计要求的基础上持续改进，以达到轻量化的目的。 -第 5 页-