发动机副车架的频域优化

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2000-01-0599

Optimization of an Engine Cradle inFrequency Domain

Murali M. R. Krishna and James Carifo

DANA Corp.

介绍了优化技术在频域分析中的应用，即将频率移到一定范围之外。一个正在开发中的发动机副车架在50-60HZ范围内有很高的响应。模态分析表明，原因是副车架包括悬置衬套的情况下固有频率。应用优化技术（直接线性化法）改变衬套刚度，使其固有频率超出关注范围。优化前后，发动机副车架上不同显著位置的响应图证实了分析结果。频域中的大响应被移到50–60赫兹范围之外。

前言

先进的计算机优化技术在发动机副车架设计过程中发挥着越来越重要的作用。本文介绍了优化技术在汽车底盘发动机副车架设计中的应用实例。在56HZ的转向激励下。据观察，摇篮有共振现象。本案例的目的是重新设计副车架及其支架，以便在转向激励下不会出现共振问题。对原始发动机副车架模型的模态分析表明，有两个频率在50-60HZ范围内，这是要关注的频率范围。对频率和振型的研究表明，这些都是由于发动机副车架衬套。在转向点处使用恒定正弦激励和不同频率的频率响应分析表明，在50–60HZ范围内有较大的响应。对所有副车架频率进行优化，使其高于65HZ。从而将响应降低到所需的频率范围内。这项研究说明了如何使用优化技术使设计师受益。早些时候，设计师不得不采用反复试验的方法来改变设计、参数，结果证明这种方法繁琐、昂贵、耗时。副车架的独立有限元研究通过一次改变不同的参数，得出矛盾的设计方向。另一方面，优化方法有效地同时处理了这些不同的参数，为设计者在一定频率范围内获得期望的响应提供了良好的变化方向。

研究方法

发动机托架的有限元（FE）的模型示于图1中，的车架是固定的（所有3个平移自由度）在所述主体的安装位置，如图所示。有限元模型有22756个壳单元，21949节点。被执行的基准模型的模态分析，并在第一10频率列于表＃1中。频率的一项研究表明，前两个频率是由于体内安装弹簧。其余的都是由于发动机支架的柔性模式。前几个模态振型示于图2中。

发动机副车架的有限元模型如图1所示。如图所示，车架固定在车身安装位置（所有3个平动自由度）。有限元模型有22756个壳单元和21949个节点。对原始副车架模型进行模态分析，前10个频率列在表1中。对频率的研究表明，前两个频率是由车身安装衬套引起的。剩下的是由于发动机副车架的柔性模态。前几个振型如图2所示。

图1 发动机副车架关键点及边界条件

图2 发动机副车架和它的模态振形

表1原始模型和优化模型频率对比

在MSC/NASTRAN中进行了模态频率响应（MFR）分析[1]。该方法利用结构的振型来解耦运动方程，同时减小了问题的规模。假设激振力为正弦，频率为50HZ到65HZ。以0.05HZ为单位。200个模态和2%的模态临界阻尼被用于MFR分析。已经确定了一些需要检查频率响应的关键点。其中一些点是-下控制臂（LCA）凹槽、LCA支架、发动机支座（位于托架的左右两侧），如图1所示。图3-12绘制了突出点处的响应。从响应图中可以观察到频率50到60HZ之间的响应。相当大。设计师希望我们减少这些反应。建议采用优化技术来降低响应。对发动机悬置衬套的频率和振型的研究表明，发动机悬置衬套在所研究的频率范围内有两个频率。只有将这些频率移到范围之外，才能降低高响应。一种方法是使用一种试验和误差方法来改变悬置衬套的刚度，并重复进行MFR分析，直到得到满意的响应。由于这是昂贵和耗时的决定，使用优化技术，以找到最佳刚度的悬置衬套。

优化问题的定义如下：目标：基频≥65hz。设计变量：四个车身悬置各点的x、y和z悬置刚度。虽然有12个刚度（每个位置3个），但它们的刚度都是相互影响的，例如，所有的x衬套在任何给定的时间都具有相同的刚度，因此四个车身位置的y衬套和z衬套也具有相同的刚度。直接线性化方法[2，3]被用于优化，并生成了设计灵敏度在MSC/NASTRAN内部。然后在有限元模型中实现输出衬套刚度，并对改进后的发动机悬置进行MFR分析。然后将所有显著输出点的频率响应叠加在基线输出上进行比较。

结果讨论

原始模型模态分析在电源挑战系统上花费了00:07:03小时的CPU。原始模型和优化模型的频率如下表1所示。MFR分析需要00:05:01小时的CPU，NASTRAN优化器在a上进行了55次迭代，CPU时间为05:30:05小时，以获得最佳解决方案。整个项目花费了大约60小时的分析时间，不包括有限元网格划分所花费的时间。表2给出了原始和优化模型的衬套刚度。

表2 衬套刚度

图3-11显示了原始和优化模型的频域响应。很明显，虽然响应在50-60HZ之间下降。当我们接近65HZ时，有一个稍高的响应。这是因为基频现在已经被推到了65HZ。这会影响65HZ附近的输出（残余效应）。。如果不需要65HZ左右的高响应，可以使用类似的分析来进一步推高基频。根据以往的经验，我们观察到在频率域内的大响应会移到65赫兹以上。使车架和悬架更加稳健。