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2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn 來源:仿真在線
借助于OptiStruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能,設(shè)計分析人員在某車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計過程中完成了對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能的優(yōu)化。在研究中以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象,在HyperWorks中建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元分析模型,分析了該模型的前5階固有頻率,并以第一階垂向振動為目標(biāo),對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的部件進行了拓?fù)渑c形貌優(yōu)化。
張松波 周建文 高巖 張軍 來源:Altair
關(guān)鍵字:CAE NVH 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
1 概述
目前汽車的NVH性能越來越受到汽車廠商的重視,而轉(zhuǎn)向系的振動與噪聲是駕駛員可以直接感知到的敏感因素,是影響整車NVH水平的重要部分。模態(tài)分析是確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機械零部件的振動特性,得到結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的過程。在汽車轉(zhuǎn)向系和儀表板總成設(shè)計中,利用Altair OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器,不僅能夠有效預(yù)測轉(zhuǎn)向系與儀表板安裝橫梁總成的NVH性能,還可以在充分考慮多種設(shè)計約束的前提下尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計,有效地降低開發(fā)時間及節(jié)約成本。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動的主要表現(xiàn)形式為轉(zhuǎn)向盤的擺振,它又分為低速和高速兩種,其頻率范圍在6~30HZ。低速擺振主要是指車輛在怠速狀態(tài)或低速行駛時在操縱系內(nèi)的行駛能源產(chǎn)生的低頻自激振動;高速擺振是指車輛高速行駛在不平路面時會使轉(zhuǎn)向輪之間產(chǎn)生不平衡,從而給轉(zhuǎn)向系一個扭振的激勵。駕駛員在怠速狀態(tài)下對轉(zhuǎn)向盤的擺振最敏感,為避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在怠速工況(750rpm)下產(chǎn)生共振,對其固有頻率的要求為大于32HZ。
2 有限元模型的建立
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成,其整體剛度是轉(zhuǎn)向柱、安裝支架和儀表板橫梁集中體現(xiàn)。為了縮減計算量同時能真實準(zhǔn)確的模擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動特性,本次分析中使用了如圖1所示模型,約束車身斷開處所有節(jié)點六個方向的自由度。
2.1 網(wǎng)格劃分
模型板殼件采用四邊形單元模擬,實體采用六面體模擬,焊點由cweld單元模擬,焊縫采用rbe2單元,平均單元尺寸10cm X10cm,模型單元總數(shù)211594個,節(jié)點總數(shù)222618個。
2.2邊界條件與約束
將裝有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車身模型在前排座椅處截斷,約束車身截斷處所有節(jié)點123456六個方向自由度,萬向節(jié)采用MPC模擬,球鉸采用RBE2單元,約束123三個方向平動自由度。
3 計算結(jié)果
采用HyperWorks自帶求解器OptiStruct對模型進行模態(tài)計算,得到一個對振動影響最大的很重要的轉(zhuǎn)向柱模態(tài):垂直方向模態(tài)(上下擺動)27.9HZ。顯然該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)垂向模態(tài)未能達到要求,需要進一步優(yōu)化。
4 設(shè)計優(yōu)化
優(yōu)化設(shè)計有三要素,即設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù);目標(biāo)函數(shù)就是要求的最優(yōu)設(shè)計性能,是關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù);約束條件是對設(shè)計的限制,是對設(shè)計變量和其他性能的要求。
OptiStruct使用迭代的程序,通過逼近的方法來求解優(yōu)化問題,其提供的優(yōu)化方法可以對靜力、模態(tài)、屈曲、頻響等分析過程進行優(yōu)化。優(yōu)化流程如圖2所示:
圖1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型示意圖
圖3 應(yīng)變能云圖
4.1優(yōu)化前的初始設(shè)定
提高轉(zhuǎn)向盤垂向振動固有頻率使其與激振頻率分開是優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動特性的常用方法。查看垂向振動振型的應(yīng)變能云圖(如圖3所示)可以發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)較薄弱處為轉(zhuǎn)向柱與儀表橫梁的安裝支架根部以及支架上方與車身前圍板連接處。綜合考慮各因素,擬定對件1進行形貌優(yōu)化,對件2和3在增加板厚的基礎(chǔ)上進行刪減材料的拓?fù)鋬?yōu)化(圖4所示)。
圖4 需優(yōu)化件示意圖
4.1.1 形貌優(yōu)化
(1)設(shè)定優(yōu)化參數(shù):
(2)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo):
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階垂向擺振頻率最大化。
4.1.2 拓?fù)鋬?yōu)化
(1)設(shè)定優(yōu)化參數(shù):
(2)設(shè)定優(yōu)化約束:
體積分?jǐn)?shù)≤0.3 {體積分?jǐn)?shù)=(當(dāng)前迭代的總體積-初始非設(shè)計域體積)/初始設(shè)計體積}
(3)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo):
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一階垂向擺振頻率最大化。
上述設(shè)置完成后即可在OptiStruct的環(huán)境下進行優(yōu)化計算。
4.2優(yōu)化結(jié)果
經(jīng)OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,各部件結(jié)構(gòu)情況如下:
圖5優(yōu)化后件1 t=1.5mm 圖6 優(yōu)化后件2 t=2.5mm 圖7 優(yōu)化后件3 t=2.5mm
優(yōu)化后模型與原模型進行對比,其結(jié)果見下表:
從優(yōu)化結(jié)果對比來看,該方案較大幅度的提升了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動特性,使之達到既定目標(biāo)。
5 結(jié)論
本文使用OptiStruct完成了對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動特性的優(yōu)化設(shè)計,在控制質(zhì)量的基礎(chǔ)上使其振動特性有了顯著提高,形貌優(yōu)化與拓?fù)鋬?yōu)化在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能設(shè)計中的應(yīng)用既節(jié)省了設(shè)計的時間又提高了優(yōu)化的效果,并且為其他車體結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計提供了方法上的借鑒。
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