副水箱支架模态分析与结构优化 汽车水箱支架

副水箱支架模态分析与结构优化

胡小文 侯路王海波

东风汽车股份有限公司商品研发院 武汉 430057

摘要：针对某车型发动机怠速过程中副水箱抖动问题，运用HyperWorks软件分析副水箱支架模态，以一阶频率大于30Hz为目标，对副水箱支架进行结构优化，改进后频率提高了21.2Hz，超过目标值，支架减重0.141kg，振动问题有明显改善。

关键词：模态 抖动副水箱支架结构优化

目前，车身NVH性能开发已广泛地利用CAE工具，大大地降低了开发成本，缩短开发周期。对于低频NVH问题（0-150Hz），主要采用模态法。汽车设计中各个部件的模态需要满足一定的设计要求，以避免各个零部件之间的共振。某车型中，布置在后悬置横梁总成上的副水箱在怠速工况下振动比较强烈，不满足开发品质要求。针对此问题，下文进行原因分析以及解决措施研究。

1建立副水箱安装支架总成模型

副水箱作为存储冷却液的容器，可以根据冷却液的冷热变化自动调节参与冷却循环的冷却液的数量，防止外界空气进入冷却循环，也可防止冷却液溢出造成浪费。

副水箱安装支架通过螺栓连接固定在元宝梁边上，为副水箱提供支撑固定作用，如图1所示。

图1 副水箱安装支架总成有限元模型

针对反馈的振动问题，建立副水箱及安装支架有限元模型，基于有限元分析软件HyperWorks对副水箱安装支架进行有限元分析，找出振动的主要原因。根据有限元分析结果指导支架结构优化改进，防止副水箱剧烈抖动导致开裂的隐患，保证副水箱的使用要求。采用shell单元进行网格划分，点焊采用直径为6mm的cweld单元模拟，二氧化碳气体保护焊采用rbe2单元模拟，单元尺寸为5mm×5mm，模型单元总数39406个，节点总数40043个。

2材料属性与边界条件

副水箱结构材料为PP改性，副水箱自重加储存的冷却液重量为4.65kg。零件材料属性见表1。

表1 零件材料属性

零件名称	材料牌号	弹性模量/MPa	泊松比	密度/t·m-3	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa
车架	08Al	2.1E+5	0.3	7.9E-9	230	180
后悬置横梁总成	08Al	2.1E+5	0.3	7.9E-9	230	180
副水箱支架	08Al	2.1E+5	0.3	7.9E-9	230	180
副水箱	PP	1800	0.35	1.1E-9	27	/
左右后悬置支架	T52	2.1E+5	0.3	7.9E-9	499	355

副水箱安装支架通过螺栓连接在元宝梁上，元宝梁通过螺栓连接在车架上，截取部分车架模型，在车架两端约束自由度123456，分析系统约束模态。

3副水箱安装支架总成模态分析

模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。准确计算副水箱安装支架的模态参数对它的振动分析有着十分重要的作用。本文在分析过程中根据实际工作条件，计算副水箱安装支架的约束模态，提出了前四阶频率参数，如表2所示。

表2 副水箱安装支架频率

副水箱安装支架总成前4阶振型分别如图2所示，第一阶振型为副水箱相对支架的前后振动；第二阶振型为副水箱左右摆动；第三阶振型为副水箱绕垂向扭动。第四阶振型为上下的弯曲摆动。

图2 1-4阶振型图

根据工作经验可知，引起副水箱抖动的激励信号来源有两种，第一种是发动机运转引起抖动，柴油四缸发动机激励信号主要在12.5-110Hz之间；第二种是车辆运行过程中路面激励信号引起的抖动，路面激励信号。根据模态分析可知副水箱支架总成的一阶固有频率为14.5Hz，频率偏低，容易在发动机激励作用下产生共振。发动机怠速为750～800rpm，则发动机一阶点火频率为12.5-13.3Hz，副水箱支架总成一阶固有频率与该频率间隔为1Hz左右，可能与发动机一阶点火频率耦合。

由图2知副水箱安装支架总成第一、二阶振型与发动机怠速过程副水箱的剧烈抖动振型基本符合，提高支架结构的固有频率，以第一阶模态频率大于30Hz为目标，避免与发动机激励作用下的共振。

4副水箱安装支架总成改进方案

从一、二阶的固有振型分析可以看出，副水箱安装支架总成有前后斜向的弯曲振动，还有上下斜向的弯曲振动，这些振动和扭曲将严重影响到副水箱安装支架的强度和刚度，从而影响到副水箱的使用寿命。因此，在对副水箱安装支架结构设计改进过程中，务必采取增加刚度等适当措施来提高副水箱安装支架的固有频率，避免这些振动的发生。针对副水箱安装支架有限元模态分析结果提出了若干种改进方案，对每种方案进行分析，采用因子分析法，找出对评价值因子大的方案再组合分析 ，最后得到以下改进方案：

（1）推荐副水箱安装位置靠近后悬置横梁安装支架，建议在此基础上重新设计副水箱支架。元宝梁由拱形改为直形，高度下降，方便副水箱支架向中间靠近。

（2）副水箱安装重心下降；

（3）副水箱安装支架在相应振幅较大处设置加强筋；

（4）增加副水箱安装支架厚度，增强其刚度，进而改善其模态。

图3 副水箱支架示意图

副水箱支架有支架1和支架2组成。支架1有A、B、C三种方案，其中A和C为分体式，B为整体式，支架2有A、B两种方案，A为整体式，B为分体式。支架1和支架2组合，得到副水箱支架总成的6种方案，如图3所示。

5改进后副水箱支架总成的模态分析

对改进后副水箱安装支架总成6种方案进行有限元分析，改进前后第一、二阶频率参数如表3所示，有限元前二阶结果分别如图4所示。

图4 各方案第1阶、2阶模态

从表3知，方案1、2、4、5的频率比原始方案的14.5Hz提高了一倍多，综合考虑模态分析结果、质量和造型等因素，最终采用方案4。

表3 改进前后副水箱支架频率对比

6拓扑优化设计

拓扑优化是一种根据优化目标、载荷及约束而寻求结构材料最佳分配的优化方法，即将寻求结构的最佳拓扑问题转化为在给定设计区域内寻求材料的最优分布问题。运行OptiStruct求解器，对方案4进行减重分析，经过23次迭代得到图5所示的材料分布；经过调整后进行优化后的结构验证分析。

图5 拓扑优化流程

以副水箱支架1为优化变量，支架体积最小化为目标函数，以一阶固有频率大于30Hz为约束函数，对副水箱的第4种方案进行了拓扑优化分析。优化后的模态分析见图6。

图6 方案4优化后支架第1阶、2阶模态

优化后副水箱支架一阶、二阶频率有所提高。并且支架重量也比优化前轻0.141kg。

表4 优化前后副水箱安装支架频率

7结束语

本文通过对副水箱安装支架模态分析及多方案结构优化，第一阶模态频率提高到35.7Hz，经过优化后的支架结构不仅减轻了重量，而且避开了与发动机共振的频率。经装车验证，振动现象基本消除。

8参考文献

[1] 黄辉阳 陈天志 吴林波. 泵车底盘副水箱安装支架有限元分析与结构改进[EB/OL].

[2] 张胜兰.基于HperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2007

[3] HyperWorks Help Documents

The ModeAnalysis and Structure Optimization of Sub-TankBracket

Hu Xiaowen HouluWang Haibo

Abstract：This paper focuses on the shock ofsub-tank bracket when vehicle engine idling. Simulate its modeanalysis using HyperWorks with the target is greater than 30Hz. Themode increases 21.2Hz after structure optimization, exceeds thetarget value, and the brakt weight reduce 0.141Kg. The vibrationprobem solved well.

Keywords: ModeShock StructureOptimization

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