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作為汽車動力系統的重要組成部件，懸置支架的主要作用是支撐發動機，有效阻隔發動機向車架傳遞振動。如果懸置支架強度不足，在汽車行駛中會造成懸置支架斷裂，嚴重影響汽車的安全。同時，在懸置系統中，懸置支架質量占總質量的80%-90%，成本占總成本的60%-80%。因此，對懸置支架進行設計時，既要滿足多種工況下的強度分析，又要控制其質量，國內許多學者對多工況下的拓撲優化進行大量研究。利用拓撲優化分析，解決懸置支架在路試中失效的問題，但是沒有考慮懸置本身的質量。本研究以某汽車研發階段的懸置支架為分析對象，利用Abaqus軟件計算得到懸置支架的應力大小和分布云圖，在此基礎上對不滿足強度要求的懸置支架進行多工況的拓撲優化分析，并根據優化結果，設計滿足工藝和制造要求的結構，最終使懸置支架在不增加質量的前提下滿足強度設計的目標。
根據懸置支架的結構特點，對整個懸置支架采用2階四面體單元C3D10M，單元總數量為290501個，有限元模型見圖。懸置支架為鑄鋁件，材料為ZL104，懸置托臂為鑄鐵件，材料為QT450。計算時只考慮材料的線彈性性能，材料屬性見表。用于考察懸置支架強度的載荷工況見表。在懸置支架上施加載荷，在懸置托臂的螺栓孔處約束123456，將模型處理后提交至Abaqus求解器進行計算，利用Abaqus后處理查看懸置支架的應力大小和分布等，懸置支架的強度計算結果見表，懸置支架的應力分布云圖見圖。由表可知，懸置托臂在5種工況下都滿足強度要求，懸置支架在工況2和5這2種工況下的最大應力分別是150和170MPa，超過材料的屈服極限124MPa，不滿足強度要求。
對不滿足強度要求的懸置支架進行拓撲優化分析，在不增加懸置支架質量的前提下，合理優化結構，使支架應力分布更加均勻，降低支架的最大應力，避免局部區域應力集中過大，從而使支架滿足強度設計要求。連續體拓撲優化方法主要有變厚度法、變密度法和均勻化理論等，本研究的拓撲優化方法基于變密度法。所謂變密度法，即人為引入一種假想的相對密度在0-1之間可變的材料，假設設計材料的宏觀彈性常量與其密度的非線性關系，采用懲罰因子約束抑制介于0-1之間的單元，在一定的材料用量條件下，尋找具有某種度量的最大剛度的結構材料最佳分布形式，以結構的柔度作為目標函數，體積為約束，優化區域作為拓撲優化的基礎，應根據零件的安裝邊界決定。
專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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