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作為汽車動力系統(tǒng)的重要組成部件，懸置支架的主要作用是支撐發(fā)動機，有效阻隔發(fā)動機向車架傳遞振動。如果懸置支架強度不足，在汽車行駛中會造成懸置支架斷裂，嚴重影響汽車的安全。同時，在懸置系統(tǒng)中，懸置支架質(zhì)量占總質(zhì)量的80%-90%，成本占總成本的60%-80%。因此，對懸置支架進行設(shè)計時，既要滿足多種工況下的強度分析，又要控制其質(zhì)量，國內(nèi)許多學者對多工況下的拓撲優(yōu)化進行大量研究。利用拓撲優(yōu)化分析，解決懸置支架在路試中失效的問題，但是沒有考慮懸置本身的質(zhì)量。本研究以某汽車研發(fā)階段的懸置支架為分析對象，利用Abaqus軟件計算得到懸置支架的應(yīng)力大小和分布云圖，在此基礎(chǔ)上對不滿足強度要求的懸置支架進行多工況的拓撲優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計滿足工藝和制造要求的結(jié)構(gòu)，最終使懸置支架在不增加質(zhì)量的前提下滿足強度設(shè)計的目標。
根據(jù)懸置支架的結(jié)構(gòu)特點，對整個懸置支架采用2階四面體單元C3D10M，單元總數(shù)量為290501個，有限元模型見圖。懸置支架為鑄鋁件，材料為ZL104，懸置托臂為鑄鐵件，材料為QT450。計算時只考慮材料的線彈性性能，材料屬性見表。用于考察懸置支架強度的載荷工況見表。在懸置支架上施加載荷，在懸置托臂的螺栓孔處約束123456，將模型處理后提交至Abaqus求解器進行計算，利用Abaqus后處理查看懸置支架的應(yīng)力大小和分布等，懸置支架的強度計算結(jié)果見表，懸置支架的應(yīng)力分布云圖見圖。由表可知，懸置托臂在5種工況下都滿足強度要求，懸置支架在工況2和5這2種工況下的最大應(yīng)力分別是150和170MPa，超過材料的屈服極限124MPa，不滿足強度要求。
對不滿足強度要求的懸置支架進行拓撲優(yōu)化分析，在不增加懸置支架質(zhì)量的前提下，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使支架應(yīng)力分布更加均勻，降低支架的最大應(yīng)力，避免局部區(qū)域應(yīng)力集中過大，從而使支架滿足強度設(shè)計要求。連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法主要有變厚度法、變密度法和均勻化理論等，本研究的拓撲優(yōu)化方法基于變密度法。所謂變密度法，即人為引入一種假想的相對密度在0-1之間可變的材料，假設(shè)設(shè)計材料的宏觀彈性常量與其密度的非線性關(guān)系，采用懲罰因子約束抑制介于0-1之間的單元，在一定的材料用量條件下，尋找具有某種度量的最大剛度的結(jié)構(gòu)材料最佳分布形式，以結(jié)構(gòu)的柔度作為目標函數(shù)，體積為約束，優(yōu)化區(qū)域作為拓撲優(yōu)化的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)零件的安裝邊界決定。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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