赵志兰 郑南 张光宏

长安汽车工程研究总院汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室   重庆   401120

摘要：本文主要阐述利用 HyperWorks 软件的 OptiStruct 模块对发动机支架进行减重优化设计。以某发动机支架减重优化设计为例，介绍了拓扑优化方法。经过拓扑优化，在保证支架刚度满足要求的情况下，支架重量减少了19.4%，降低了产品成本。

关键词:  OptiStruct，发动机支架，减重优化，拓扑优化

1 概述

 结构优化设计是部件轻量化的主要途径之一，目前已被广泛应用到航空航天、汽车、机械等领域。拓扑优化是结构设计优化其中的一种方法，拓扑优化的目的是寻求结构在设计空间上的最佳分布形式或传力形式，使构件在减轻重量的同时，获取最佳的使用性能。它主要分为离散结构拓扑优化和连续体结构拓扑优化。连续体结构优化是目前比较成熟的研究方法，有均匀化方法、渐进结构优化法和变密度法。

本文以某轿车的前悬置支架为研究对象，采用拓扑优化技术进行轻量化设计，在不牺牲零部件刚度的前提下，达到质量的最小化。

2 有限元建立与工况分析

通过Altair的前处理工具HyperMesh建立发动机支架的有限元模型，并进行材料属性的设置，约束条件以及分析工况的建立。

2.1 有限元模型的建立

因本次分析为发动机被动侧支架的减重分析，所以只对该支架进行有限元建模，该支架模型较小因此选用单元边长为3mm的四面体单元，在HyperMesh模块下进行有限元建模，具体如图1。 

2.2 材料与属性

计算中所使用的材料参数如下：

ZL101A的材料参数：

弹性模量：71GPa

材料密度：2.7e-9 t/mm3

泊松比：0.3

长度单位为：mm

2.3 工况设置

发动机支架分析包括+z10g上跳分析和-z10g下跳分析，方向沿主轴坐标系，主轴坐标系和车身坐标系成20度角具体如下图。约束支架安装螺栓孔位置的6个方向自由度。 

3 拓扑优化设计

首先对主支架结构进行总体评价，将支架分为设计区域和非设计区域，如图3所示。设计区域是可以进行结构优化的部分，非设计区域是不改变结构的区域。下图中灰色是非设计区域，蓝色是设计区域。

本次优化主要是在保证支架刚度满足要求的情况下，对支架结构进行减重优化。

1）优化参数：设置拔模方向为Z向

2）优化约束：工况一+Z10g上跳悬置中心点位移≤0.002mm

工况二-Z10g上跳悬置中心点位移≤0.001mm

体积分数≤0.2

3）优化目标：重量最小