侯宇　周鹤

摘 要：悬置支架作为悬置系统中的重要部件，其模态性能的高低对于整个悬置系统很关键。文章基于Optistruct软件的拓扑优化算法得到一种悬置支架的优化设计，在提高模态性能的同时，实现了结构的轻量化。对悬置支架设计开发的指导，有非常重要的意义。关键词：悬置支架;模态;拓扑优化;轻量化中图分类号：U463.33  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）02-86-03

Abstract： As an important part of mounting system， the modal performance of mounting bracket is very important for the whole mounting system. Based on the optimization algorithm of Optistruct software， an optimal design of mounting bracket is obtained， which not only improves the modal performance， but also realizes the lightweight structure. It is very important to guide the design and development of mounting bracket.Keywords： Mount bracket; Modality; Topography optimization; LightweightCLC NO.： U463.33  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）02-86-03

前言

悬置支架是动力总成与车身间的连接元件。它的模态性能对整个悬置系统的支承和隔振表现有重要影响。以往由于优化分析在设计过程中的欠缺，导致悬置支架的设计存在重量偏大，性能不足的现象。针对此问题，本文将进行悬置支架优化设计方案的探索。

1 悬置支架的模态分析

图1所示为某车型悬置支架，厚度为3.0mm，材料为SAPH440，前后四个螺栓孔为安装孔。

1.1 悬置支架的模态要求

悬置系统设计过程中为了达到良好的隔振效果，通常会要求悬置支架的一阶约束模态，频率在500Hz以上^[1]。

1.2 悬置支架的模态分析

通过对该悬置支架进行模态分析，得到其一阶和二阶模态频率和模态振型。

由分析结果可知，其一阶约束模态频率为410Hz，不满足500Hz的最低要求。因此，有必要针对其模态性能进行优化设计。

2 悬置支架的拓扑优化

Optistruct是被全球很多企业采用的优化软件，拥有先进的拓扑优化算法。本文使用Optistruct软件对悬置支架进行拓扑优化设计。

2.1 优化分析

2.1.1 定义设计区域

在开始进行优化设计前，将悬置支架的螺栓安装孔区域定义为非设计空间，如图4红色区域所示，保证优化后的结果也能正常的安装，而将其余部分定义为设计空间。

2.1.2 优化分析设置

使用Optistruct软件的优化模块，设置模态频率和体积分数为优化的响应。同时将全局体积分数设置为优化约束，上限为0.8。而优化目标是一阶模态频率最大。

2.1.3 优化结果

设置完毕后，开始拓扑优化分析，得到如图4所示的结果。图5中红色区域单元密度为1（或接近1），需要保留，而蓝色区域单元密度为0（或接近0），在后续设计中可以移除。

3 优化结果验证

3.1 优化结果几何重构

基于拓扑优化分析的结果，对原始支架进行有针对性的开孔和移除多余的材料。同时将边缘部分进行圆整。得到如下图所示的新支架结构。

3.2 优化结果模态分析

对重新设计的新支架进行模态分析，得到其一阶约束模态频率为528Hz，二阶为657Hz，如图7、8所示。

4 原始设计与优化设计对比

4.1 模态对比

优化后的悬置支架一阶模态频率为528Hz，相比原始支架的410Hz提高了118Hz，提升比例达到了28.8%。二阶模态频率由461Hz提升到了657Hz，提升比例达到了42.5%。

4.2 重量对比

通过优化设计，支架的重量由原始结构的2.32kg降到了1.73kg，减重比例为25.4%，减重效果明显。

4.3 强度对比

悬置支架材料为SAPH440，其屈服强度为305MPa。通过对比分析优化前后悬置支架的强度，可得到如表1所示结果（6个工况均为悬置28工况中的极限工况），优化后各工况最大应力较原始结构均有所增加，但均小于材料的屈服极限305MPa，最恶劣的Z+工况（垂直向下（5G）&横向向左加载（3G））也有1.5左右的安全系数。能够保证强度需求。

4.4 总结

通過各项参数对比，可以认为该优化结果是有效且可靠的。

5 结论

文章利用Optistruct软件对悬置支架进行了拓扑优化设计，并通过对优化结果的模态分析，验证了优化设计的可靠性，提升性能的同时，又实现了结构的轻量化。在悬置支架的设计前期有着十分积极和重要的意义。

参考文献

[1] 郭荣，章桐.汽车动力总成悬置系统[M].上海：同济大学出版社.2013：83-84.

[2] 廖抒华，成传胜.汽车悬置支架的仿真分析与尺寸优化[J].煤矿机械，2012.

[3] 杨武森，杨玉玲，宋树森.关于某动力总成悬置支架的优化设计[J].汽车实用技术，2014.