基于HyperWorks的某车型保险杠优化

陶政

摘 要：本文针对某新车型保险杠开发，在理论分析的基础上，基于 Altair HyperWorks软件，给出了优化方案并设计出一种新型的桁架式结构保险杠。最终，将其一阶固有频率提高到 30Hz以上，满足了设计要求。

关键词：保险杠；模态分析；汽车

1 引言

保险杠是吸收冲击力，防护车身前后部的安全装置。其性能的好坏会给用户直观的感知，如果设计刚度不足，容易在低频时产生较大的抖动，从而造成疲劳开裂。因此在进行保险杠设计时，要充分考虑其刚度要求。在传统开发流程中需要对保险杠进行测试才能发现振动问题。而且在这一阶段进行改进会导致改动空间小、成本高、周期长的问题。通过 CAE对其进行模态分析，可以在早期对方案进行改进，缩短开发周期，降低开发成本。本文采用 Altair公司的 HyperMesh软件对保险杠模型进行前处理，并用求解器 OptiStruct进行计算，使用 HyperView进行后处理，在设计前期发现问题，并通过结构优化提高其一阶固有频率，达到模态频率的设计要求，并且设计出一种桁架式保险杠，为设计师提供优化改进的方向和思路。

2 有限元模型的建立

某车型开发项目中采用金属保险杠。希望通过有限元分析，考查该保险杠结构的动态特性是否满足设计要求，并希望得到优化方案。保险杠总成采用 HyperMesh软件建立有限元模型，采用壳单元进行网格划分，各零件之间使用 RBE2单元连接，保险杠上的前灯采用集中质量 mass单元代替。

3 模态分析工况和约束条件

根据轻型商用车车产品开发标准，当保险杠一阶固有频率大于 30Hz时，不会发生抖动和开裂问题。本文主要分析保险杠总成约束模态。约束与车架相连的螺栓孔全部自由度，计算有限元模型前 6阶模态频率和振型。

4 分析结果

模型求解完毕以后，使用后处理软件 HyperView 查看保险杠总成的前六阶模态以及应变能。初始方案一阶固有频率为 14.4Hz，不满足大于 30Hz的要求。由应变能云图可见，与车架相连的固定支架刚性较低。需要优化该保险杠总成结构。

5 优化方案

通过观察模态应变能图，可以发现保险杠薄弱的部位。于是对保险杠进行了反复的优化。新方案的一阶固有频率提高到 30.1Hz，满足了模态要求。虽然新方案满足了模态要求，但我们仍希望开发一个重量较低的方案。因此，进一步设计了新型的桁架式保险杠被，该保险杠采用钢管骨架结构，见图 1。表 1为该桁架式保险杠与原保险杠的一阶固有频率和质量对比。

6 结论

本文利用 CAE技术，模拟计算了某车型保险杠总成初始方案的模态，并在此方案基础上进行 10轮优化，得出了满足模态要求的方案。同时，设计出一种新的桁架式结构保险杠，在一阶固有频率满足设计要求的前提下，质量降低了 5.5%，为保险杠总成的开发设计提供了改进的方向和思路，缩短了产品开发周期，提高了设计的质量。

参考文献：

[1]刘鸿文 .材料力学 [M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]余志生 .汽车理论 [M].北京：机械工业出版社，1996.