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作為汽車動(dòng)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(dòng)機(jī)，有效阻隔發(fā)動(dòng)機(jī)向車架傳遞振動(dòng)。如果懸置支架強(qiáng)度不足，在汽車行駛中會(huì)造成懸置支架斷裂，嚴(yán)重影響汽車的安全。同時(shí)，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(duì)懸置支架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足多種工況下的強(qiáng)度分析，又要控制其質(zhì)量，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行大量研究。利用拓?fù)鋬?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(duì)象，利用Abaqus軟件計(jì)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(duì)不滿足強(qiáng)度要求的懸置支架進(jìn)行多工況的拓?fù)鋬?yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
根據(jù)懸置支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)懸置支架采用2階四面體單元C3D10M，單元總數(shù)量為290501個(gè)，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(jì)算時(shí)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(qiáng)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(jìn)行計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度要求。
對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的懸置支架進(jìn)行拓?fù)鋬?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(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。連續(xù)體拓?fù)鋬?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?fù)鋬?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(duì)密度在0-1之間可變的材料，假設(shè)設(shè)計(jì)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(biāo)函數(shù)，體積為約束，優(yōu)化區(qū)域作為拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)零件的安裝邊界決定。
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