王友华 靖娟

摘 要：汽车驻车拉索支架设计的合理性直接影响着零部件的正常功能使用，而其支架的模态及强度性能是否满足要求又起到了关键性作用。文章通过数值模拟分析方法，对驻车拉索支架进行模态及强度仿真分析，结合应力最大的薄弱区域进行了结构优化设计。对优化方案重新进行仿真分析，分析结果满足零件设计性能要求，有效地指导了工程方案的改进设计，为相关车型支架设计及仿真分析提供了宝贵经验。

关键词：数值模拟;支架;强度;优化

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2019）04-81-03

1 前言

在日常汽车使用过程中，驻车制动系统是除了行车制动系统外的另一个重要的制动系统^[1]。同时，汽车在上坡或下坡道路上的停放状态也是衡量驻车制动性能的关键因素。驻车制动使后轮产生制动力矩，迫使路面对后轮产生制动力，从而实现车辆制动^[2]。不论车辆在平直路面还是在斜坡路面，都经常使用驻车制动系统以实现车辆的静止，驻车制动系统中的拉索支架设计的好坏，将直接影响驻车功能的使用，因此对驻车制动系统的拉索支架性能的研究与分析具有重要意义。

随着软硬件的不断发展和完善，有限元数值仿真分析几乎应用到所有的科学领域，成为一种实用高效的数值分析方法^[3]。本文通过有限元软件，运用数值模拟仿真分析方法，结合驻车拉索支架的最大应力风险区域提出优化改进方案，并对支架的不同方案进行模态与强度仿真分析，从而提高拉索支架的可靠性。

2 模型的建立

2.1 CAD模型的建立

大型CATIA软件是行业通用且具有强大的零部件设计功能模块，本文通过CATIA三维设计软件对驻车拉索支架进行设计建模工作，在满足装配及布置边界的情况下，对拉索支架进行参数化设计，其CAD模型如图1所示，其通过两个直径为Ф8mm的孔安装于车身中央通道的位置区域，驻车拉丝穿过圆柱形内孔进行装配。支架所使用的材料参数：弹性模量为7.0E4MPa，泊松比为0.3，密度为2.7e-9 T/mm。

2.2 有限元模型的建立

由于HyperMesh是一款行业通用的有限元前处理软件，能方便地对模型进行清理并快速创建网格模型，极大地提高了有限元仿真分析中的网格前处理效率^[4]，本文使用HyperMesh软件对CAD模型进行网格划分。采用1mm网格尺寸及三角形单元对外表面进行网格划分，将所有三角形面网格形成封闭腔，然后采用四面体单元进行实体网格划分，最终总的节点数为10422，单元数为41030。网格模型如图2所示。

在完成网格划分后，需对网格质量进行检查，并将材料参数赋予支架网格单元所在的 Component，因此需要建立单元属性，设定相应的材料参数，包括杨氏模量、泊松比、密度。

对于安装在车身上的支架需考虑支架是否会产生共振，需对支架模态进行仿真分析。因此在建立模态分析模型时，约束驻车拉索支架的两个安装孔的6个方向的自由度，分析方法选择NASTRAN软件中的SOL 103模态分析。

对于支架的强度仿真分析，同样需对模型进行边界条件的约束及载荷的施加。约束拉索支架两个固定安装点的所有自由度DOF 1～6，同时用RBE2刚性单元连接拉索安装孔的节点，并在此RBE2单元的中心点施加载荷，施加的载荷大小为850N，并设置模型计算结果的输出类型如Stress应力结果，将模型导出.bdf文件，提交到NASTRAN软件求解器进行求解计算。

3 仿真結果分析

由于Altair HyperWorks软件平台中有专门进行后处理的HyperView软件模块，其具有强度的后处理功能，不仅能输出各种结果云图，还能输出不同的结果曲线，本文支架的分析将运用HyperView模块进行分析结果的后处理工作。将搭建好的CAE有限元模型导出后辍为.bdf的格式文件，并将此.bdf文件提交Nastran进行计算，求解器计算完成后会输出后辍为.op2文件。使用HyperView后处理软件读取.op2文件，查看各分析工况下的分析结果。

3.1 模态分析结果

将模态分析结果文件导入HyperView后，查看模态振型及频率，结果如图3所示，从图中可以看出模态的振型为基于安装平面向下的摆动，模态频率为2513Hz。从模态频率值可知，此支架结构刚度较大，模态频率较高，不会与安装连接的车身产生共振现象。

3.2 强度分析结果

将强度结果文件导入到HyperView中读取支架的应力分析结果，如图4所示，从图中可以看出：驻车拉索支架最大应力为109.7MPa，位于支架安装平面与凸台圆角处。基于拉索支架本身材料特性及实际经常使用驻车功能，拉索支架最大应力应小于100MPa，计算结果的应力大于此值，不满足要求，需对拉索支架进行结构优化与改进设计，寻求最优方案，以便满足设计要求。

4 设计优化与仿真分析

通过上述有限元仿真分析，对驻车拉索支架强度结果最大应力风险位置进行分析，需对支架进行结构优化设计，主要优化位置为支架的凸台特征及安装面与拉索圆柱连接区域。优化后的支架新方案CAD数据如图5所示。对其重新进行网格划分，并更新分析模型边界与载荷链接，将优化方案的CAE有限元模型提交计算，重新对模态及强度性能进行仿真分析。

读取NASTRAN计算得到的优化方案的模态分析结果文件，模态结果如图6所示，可以看出支架的模态振型为基于安装平面向上的摆动，模态频率为4105Hz。从频率数值可以看出此支架结构刚度较大，模态频率较高，不会产生共振现象。

将强度分析的结果文件导入后处理软件查看驻车拉索支架优化方案的强度应力结果，如图7所示，从结果可以看出：拉索支架的最大应力为81.4MPa，位于支架安装平面圆角与凸台圆角相交区域，满足小于100 MPa的要求，此方案满足强度性能要求。

5 结论

综上所述，通过数值模拟分析方法，对驻车拉索支架的模态及强度进行了仿真分析，很好地识别了零件风险，并对拉索支架提出了改进优化方案。对优化方案重新进行数值模拟分析，其应力水平相对于原方案有较大幅度降低，满足了支架的强度性能要求。同时从支架的模态分析的频率结果可知，此支架的结构刚度较大，模态频率较高，不会与安装连接的车身产生共振。通过对驻车拉索支架的模态及强度分析与优化，有效支持了支架零件的优化设计，为工程方案最终冻结提供了重要依据和指导作用。

参考文献

[1] 冼剑.基于有限元驻车拉索支架刚度优化[J].企业科技与发展， 2018（3）：72-74.

[2] 张文春.汽车理论-2版.北京：机械工业出版社，2009（12）：126.

[3] 李海峰，吴冀川，刘建波等.有限元网格剖分与网格质量判定指标[J].中国机械工，2012（2）：368-377.

[4] 韩彦潇，李青章，徐顺等.基于Altair.HyperWorks的选换挡支架静强度与模态分析[J].汽车实用技术，2017（4）：127-130.