摘要：随着企业工业的不断发展，客户对于汽车产品的质量提出了更高的要求，因此，提升汽车质量已经成为当前企业行业发展的重点。而提高汽车发动机悬置支架结构可靠性水平的同时，需要保证结构的机械性能不变，因此，对汽车发动机悬置支架结构的优化与可靠性研究成为当前研发人员研究的课题。文章就此对汽车发动机悬置支架结构优化与可靠性研究进行了简要分析，内容供大家参考。
关键词：汽车；发动机悬置支架；结构优化；可靠性
前言
发动机悬架结构在汽车整体结构中起到支撑发动机重量的作用，为了保证其结构设计的合理性和科学性，需要技术人员根据设计空间和工艺的要求进行拓扑优化设计。汽车发动机悬置支架的结构优化可以在概念设计阶段进行不同方案的论证，并通过有限元进行验证，从而保证方案选取的合理性。
1发动机悬置支架的结构拓扑优化
汽车发动机悬置支架的结构比较复杂，并且不同的车型，其发动机悬置支架的受力方式和载荷幅值不同，而使用传统的经验法对支架进行校准，很难得到优秀的结构。随着计算机的飞速发展和大型有限元软件应用，使得工程设计早期进行拓扑优化成为了可能。常用的拓扑优化的商用有限元软件包括：Nastran，Ansys，Hyperworks，Tosca等。文章中运用Hyperworks产品中的Optistruct模块对悬置支架进行拓扑优化。
1.1拓扑优化的一般步骤
第一，设定设计空间，主要是设计悬置支架包含的特定空间区域；第二，满足的约束条件，主要包括载荷约束条件和加工工艺约束条件；第三，设定拓扑优化参数，并寻求目标函数极值的最佳材料分布。悬置支架设定的设计空间如图1所示。
图1后悬置支架原结构与设计空间
1.2计算原模型
计算原模型如表1所示：三种不同工况下的指定点出的位移。在进行拓扑优化计算的过程中，以此处计算出的位移作为位移约束进行拓扑优化。
表1结构拓扑优化分析工况
以原结构指定点位移作为约束函数进行拓扑优化，已知三种工况下的节点最大位移分别为Dz，Dy，Dx，因此优化约束的位移设置为：-Dz≤垂直位移≤Dz；-Dy≤纵向位移≤Dy；-Dx≤侧向位移≤Dx。即保证优化后的结构刚度不低于原始方案。
在对设计方案进行选定过程中，为了验证支架拓扑优化后结构的正确性和实用性，并保证支架结构的强度以及刚度性能，需要技术人员对新的结构进行试验验证。可以从两个方面进行：一是结构的有限元分析，二是试验测试。
此外，由于拓扑优化只给出优化结构的大致形状，因此在进行结构计算验证之前，必须进行结构CAD绘制，为了绘图的方便，对结构也需要进行必要的简化处理。最后将绘制好的CAD模型导入有限元分析软件中，并进行网格的划分、模型属性的设置、边界条件设置等建模工作，再进行结果分析。建模完成只有，用Optistruct模块可以对优化结果进行快速的有限元分析验证。技术人员在综合考虑到工艺和结构的需求后，选定最为合理的结构进行拓扑优化分析。
2发动机悬置支架可靠度分析
2.1可靠度的数值计算分析
采用Rackwitz验算点法计算结构可靠度。迭代步骤如下：
第一，假设一个
值；
第二，选择设计验算点的初值，一般取
；
第三，计算
的值；
第四，计算新的验算点
值；
第五，对三和四两个步骤进行重复，一直到前后两次计算得到的
差值在允许的范围之内为止；
第六，将得到的
值代入到原极限状态方程
，计算结构功能函数
的值；
第七，检验极限状态方程
的条件是否满足，若是不满足，则计算前后两次
和
的各自差值的比值
，并且由式
估算一个新的
值，然后重复三到六的计算过程，直至满足
为止；
第八，最后由
计算失效概率。
同时，为了考虑在结构分析和设计中的随机变量，计算悬置支架结构可靠度，需要运用概率统计理论，采用一次二阶矩方法和响应面方法结合进行结构可靠度计算。
选取尺寸参数xyh，rzj，cj作为可靠度分析的设计变量，即不确定性变量，同时增加材料不确定变量E（弹性模量，）u（泊松比）和S（QT450材料强度极限），进行自动化流程计算，得到支架在垂直载荷lOG作用下的静强度功能函数的响应面模型，运用一次二阶矩理论的验算点法计算功能函数的可靠指标及可靠度。
2.2可靠度计算结果分析
对汽车发动机悬置支架优化方案可靠性的分析结果为：支架在垂直载荷10G的作用下，其静强度（功能函数）可靠性度大约为31.5，99.98，。此外，其可靠性灵敏度的百分比为：cj（侧筋）35％，xyh（上壁厚）29％，泊松比u28％，rzj（中间筋）6％，S（材料强度极限）2％，E（弹性模量）0％。
3发动机悬置支架的可靠性优化研究
可靠性优化设计的基本方法有两种：第一，将设计变量作为随机变量，要求结构或零件在满足一定性能的条件下，使其可靠度达到最大；第二，使结构或零件达到最佳性能指标时，要求它的工作可靠度不低于某一规定水平。可靠度优化方法首先需要进行可靠度分析，估计单一设计点上的失效概率和可靠度，如果当前的产品设计不满足产品规定的可靠度要求，则通过不断优化设计，改进方案设计，在保证或提高产品性能的同时，满足产品规定的可靠度的要求。如图2为汽车发动机悬置支架可靠性优化设计流程图。
图2支架可靠性优化设计流程
结束语
综上所述，在汽车发动机悬置支架的结构优化方案中，为了提高其结构优化的科学性和合理性，需要对其进行有限元分析和可靠性计算研究，并选择合理的设计参数作为可靠性优化的设计变量，从而提高汽车发动机悬置支架优化水平。同时，技术人员在对汽车发动机悬置支架结构的优化设计和可靠性研究过程中，需要采用先进的计算机软件，秉持着认真、严谨的工作态度，从自身减少优化设计和可靠性研究过程中的误差。
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论文作者:孙海洋1,周永辉2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/25
标签：支架论文; 结构论文; 拓扑论文; 可靠性论文; 可靠论文; 位移论文; 汽车发动机论文; 《基层建设》2018年第4期论文;