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考虑工程约束的发动机悬置支架拓扑优化

朱剑峰;林逸;施国标;陈潇凯

【摘要】Inordertoenhancethestructuralperformanceofenginemount

bracketandreduceitsweight,amulti-objectivetopologyoptimizationon

bracketstructureisconductedwithminimizingitsweightedcompliance

andmaximizingitsnaturalfrequencyunderdifferentworkingconditions

asobjectivesandconsideringengineeringcon-straints.Thenewengine

mountdesignedbasedonoptimizationresultsmeetstherequirementson

strength,durabili-tyandmodalfrequency,lowersdevelopmentrisk,

reducerealcomponenttestsandcutdowndevelopmentcost.%为了提高发

动机悬置支架的结构性能和减轻质量，以发动机悬置在多工况下加权柔度最小化和

频率最大化为目标，并考虑了工程约束条件，对支架结构进行多目标拓扑优化。根

据优化结果设计出的新发动机悬置满足强度、耐久性和模态频率的要求，降低了开

发风险，减少了实物试验，节约了开发成本。

【期刊名称】《汽车工程》

【年(卷),期】2014(000)012

【总页数】5页(P1508-1512)

【关键词】发动机悬置;拓扑优化;工程约束

【作者】朱剑峰;林逸;施国标;陈潇凯

【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院，北京100081;泛亚汽车技术中心有

限公司，上海201206;北京理工大学机械与车辆学院，北京100081;北京理工大

学机械与车辆学院，北京100081;北京理工大学机械与车辆学院，北京100081

【正文语种】中文

前言

近年来，在汽车工业得到高速发展的同时，能源短缺和环境恶化的问题越来越突出，

车辆的轻量化研究迫在眉睫。动力总成悬置的结构优化与轻量化必须达到结构的模

态、强度、刚度、耐久性和NVH性能的要求，并且要有良好的制造工艺性。文献

[1]中进行了多工况下的结构静动态联合拓扑优化技术的研究，实现了变速器结构

性能的改善和结构的轻量化。文献[2]中初步尝试了将拓扑优化技术应用到汽车控

制臂的结构概念设计中，对控制臂的结构进行多目标拓扑优化，并探讨了制造约束

的应用，在结构的后续设计可行性中取得一定效果。文献[3]中通过拓扑优化技术

对路试中失效的悬置支架进行了优化分析与改进设计，成功解决了支架开裂问题。

因此，拓扑优化技术已经成为工程技术领域的一个热门课题，在各大整车厂商和零

件供应商中得到重视，但如何在产品结构设计初期就引入拓扑优化技术并最终成功

应用到实际中仍然是目前汽车结构设计中的一个难点。在动力总成悬置的结构设计

问题上，传统的凭借工程经验的设计方法很难使结构同时满足悬置的静态和动态性

能要求。在早期的发动机悬置结构概念设计过程中，利用拓扑优化技术可以找到性

能最优的、最合理的产品材料分布。通过这项技术，能缩短产品开发设计周期，提

高产品性能，减少物理样件生产和试验的次数。

本文中在产品设计初期将拓扑优化技术引入到发动机悬置的结构设计中，按照设计

空间建立拓扑优化模型，并施加用ADAMS计算出的动力总成悬置系统多种工况

下的载荷，利用拓扑优化技术，并考虑实际工程约束条件，得出多工况下结构加权

柔度最小(即刚度最大)而固有频率最大的拓扑结构，再根据拓扑优化结果和结构实

际安装要求，设计出发动机悬置支架的详细结构，最后对新结构进行分析计算。

1悬置系统工况分析

1.1动力学模型

为了研究动力总成悬置系统的受力情况，建立了力学模型和数学模型，其力学模型

如图1所示。图中，系统的广义坐标为沿X、Y、Z轴的平动坐标x、y、z和其绕

X、Y、Z轴的转动坐标α、β、γ。

图1动力总成悬置系统的力学模型

动力总成悬置系统为多自由度振动系统，可利用多种方法建立系统的运动微分方程，

如直接法、影响系数法、拉