模态分析在发动机托架中的应用.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

2、分析；更突出的是，有限元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

3、下：   弹性模量：210GPa   材料密度：7.85e3kg/m3   泊松比：0.3   长度单位为：mm3边界条件   发动机托架计算工况为0~70Hz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

4、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

5、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

6、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

7、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