基于ANSYS的动力总成悬置系统的尺寸优化设计

秦洪艳

（三江学院 机械工程学院，南京210012）

0 引言

动力总成悬置系统衔接动力总成和汽车的车身，主要作用是支撑动力总成、减少动力总成振动对整车的影响、限制动力总成的抖动量，对整车NVH性能起着非常大的作用。合理设计动力总成悬置系统的参数，既能降低车辆的噪声与振动，改善车辆行驶的平顺性，又能保证动力总成的耐久性与可靠性，避免动力总成零部件的过早损坏。因此，在现代汽车的设计中，动力总成悬置系统的结构及参数设计受到了越来越多的关注。

本文借助商用有限元分析软件ANSYS，对非线性材料的发动机橡胶悬置系统进行尺寸优化设计，通过改变橡胶悬置的外形尺寸来满足三向刚度的设计要求，适用于悬置安装空间可变化的情况。

1 问题描述

图1 车用橡胶悬置减振块示意图

某型载货汽车的发动机前悬置如图1（a）所示，表1为其各方向的动刚度，橡胶材料的邵氏硬度为A60，动态刚度与静态刚度的比值为1.35，发动机正常工作时，橡胶悬置的压缩量不超过5%，通过有限元分析，确定满足刚度要求的橡胶悬置的尺寸，要求悬置静刚度误差控制在10%以内。

表1 悬置动刚度N/mm

2 借助ANSYS软件进行橡胶悬置的结构优化设计

此橡胶悬置可以简化成长方体橡胶块如图1（b）所示，首先求悬置的静刚度。

X方向的静刚度Ksx=Kdx/1.35=490÷1.35=363 N/mm；

Y方向的静刚度Ksy=Kdy/1.35=100÷1.35=74 N/mm；

Z方向的静刚度Ksz=Kdz/1.35=80÷1.35=59 N/mm。

借助ANSYS对该橡胶悬置进行有限元分析与结构优化设计。进行结构优化设计，首先根据设计要求确定设计变量、状态变量和目标函数：

设计变量：长 L（40 mm≤L≤80 mm），宽 B（30 mm≤B≤60 mm），高 H（30 mm≤H≤70 mm），设计变量的上下限由悬置的安装空间确定；

状态变量：Y方向剪切刚度Ky（71N/mm≤Ky≤77N/mm），Z方向剪切刚度Kz（56 N/mm≤Kz≤62 N/mm），状态变量的上下限由剪切刚度的误差计算得到。

目标函数：X方向的最大位移DEFL。发动机工作时，悬置的压缩量在5%以内，因此在分析文件中用线性近似代替橡胶的非线性，将整个压缩过程的材料弹性模量视为常数。在悬置上施加的载荷为（363×h×0.05）N，如果X方向的最大位移为0.05h，则表示橡胶块X方向的刚度为363 N。所以目标函数定义为X方向的最大位移，考虑到ANSYS优化方向是使目标函数尽可能小，所以分析文件中定义的目标函数是X方向的最大位移同0.05h之间的差值。

ANSYS求解的命令流代码如下：

以上代码为文本文件yh.TXT的内容，选择Utility Menu>File>Red Input From命令，通过Read File对话框读入文本文件，ANSYS开始运行此优化过程。选用的优化方法是零阶方法，最大迭代次数是20次。优化结束后在命令输入框中输入/OPLIST，ALL可以查看优化结果。图2是优化的部分设计序列。

图2 优化结果

如图2所示，其中左右带*的SET17是最优解，此时

Ky=76.86 N/mm，误差为（76.86÷74-1）×100%=3.8%；

Kz=61.86 N/mm，误差为（61.86÷59-1）×100%=4.8%；

Kx的误差为［（0.05H+0.09）/（0.05H）-1］×100%=3.3%。

以上误差均满足要求，取B=41 mm，L=67 mm，H=52 mm，即矩形橡胶悬置的长、宽、高分别为67 mm、41 mm、52 mm。

3 结语

本文介绍了利用ANSYS软件进行尺寸优化的方法步骤，并对某型发动机的前悬置进行了尺寸优化，给出了具体的命令流。

当悬置的安装空间没有要求时，可用通过对悬置外形尺寸（如长、宽、高）的设计优化来满足三向刚度的要求。但是，当悬置的安置空间已经确定，就不能采用改变其外形尺寸的方法来满足刚度的要求。这种情况下，可以对橡胶悬置进行拓扑优化，通过在其内部设计孔洞改变不同方向的刚度，从而使整体满足三向刚度的要求。

［1］ 刘旭.新型橡胶隔振支承的设计探讨［J］.机械，1996（6）.

［2］ 郑明军，谢基龙.压缩状态下橡胶件大变形有限元分析［J］.北方交通大学学报，2001（1）：76-79.

［3］ 秦洪艳.基于ANSYS的发动机橡胶悬置的拓扑优化［J］.机械制造与自动化，2011（6）：154-156.