2-4 优化后壁厚分布-OptiStruct在汽车前端模块支架设计中的应用
刘丽丽 叶远林 李义辉 蒋成武 吴泽勋
摘要：
为提升汽车ESP安装支架的动力学性能，利用MSC Nastran对其进行强迫运动分析.分析支架系统的共振频率和加速度的最大增益特性，并根据分析结果对原始模型进行优化设计，提升ESP支架性能，从而保证车辆在各种状况下行驶的稳定性及安全性.使用仿真和台架试验的方法验证优化后的支架性能，二者结果非常接近，表明该仿真方法可为ESP支架的优化设计提供参考.
关键词：
汽车； ESP； 支架； 强迫运动； 共振频率； 最大增益； 激励
中图分类号： U463.5
文献标志码： B
0 引 言
ESP本体不是直接固定在车体上的，而是通过减震垫固定在ESP支架上的，支架再通过螺栓与车体连接在一起，所以支架性能的好坏直接影响ESP的控制品质.[1]考察汽车ESP安装支架系统的共振频率和加速度最大增益特性是否满足目标要求，具有重要的现实意义.
ESP支架系统是汽车的一个重要系统，是防抱死制动系统ABS和驱动防滑系统ASR的扩展，属于车辆的主要安全系统.ESP系统能够在几毫秒时间内识别出汽车不稳定的行驶趋势，让汽车的传动或制动系统产生所期望的准确响应，及时恰当地消除这些不稳定的行驶趋势，使汽车保持行驶路线和预防翻滚，避免交通事故的发生.[23]如果ESP支架性能不满足设计要求，就不能及时恰当地识别这些不稳定行驶趋势，易发生交通事故，严重影响汽车的行驶安全.国内很多学者对ESP系统进行研究，但未关注ESP安装支架的性能，所以对ESP安装支架进行强迫运动分析，考察其共振频率和加速度增益特性意义重大.[4]
1 频率响应理论简介
式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵.
式中：φ为系统的模态变换矩阵.可把变量从物理坐标系转化为模态坐标系ξ（ω）.把式（2）代入式（1），两边同除以eiωt得
若阻尼矩阵可以被正交（否则需要进行一些假设，使得阻尼矩阵可以被正交），则根据模态正交性，式（4）变为
2 ESP工作机理简介
2.1 安装位置
ESP本体在车辆上x或y平面内自由安装，标准的L型支架一般固定在车体大梁或底盘上，固定在车体大梁上的ESP系统见图2.
2.2 工作机理
ESP支架系统功能通常支持ABS和ASR，通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，然后向ABS和ASR发出纠偏指令，以帮助车辆维持动态平衡.ESP可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性，特别是在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显.另外，偏航率和加速度传感器集成在电子控制装置（Electronic Control Unit， ECU）内，车辆的偏航率和加速度信号通过支架传递给ECU，所以要维持车辆动态平衡，首先要保证支架的性能要求.
同时，位于支架与系统间的减震垫是整个传递函数（车辆到传感器）的一部分，基于频率特征，减振垫既能减少噪声又能精确地调制信号的传递特征.
2.3 激励传递简介
在实际工作中，ESP支架受到的激励是通过车辆传递过来的，并且支架的刚度远远小于车辆，因此可以把支架和车辆看成是非耦合系统.[6]支架仅接受与车辆连接处的振动激励，因此需要在螺栓孔位置施加激励载荷，激励传递路径见图3.
在支架与车体连接的螺栓处施加幅值为1 N的单位激励（每个频率下）来代替实际的激励载荷，频率响应分析的频域范围为0～2 000 Hz，结构阻尼及弹性软垫阻尼因子均取0.03.激励方向为x，y和z这3个方向，具体位置见图4.
3 模型前处理分析要点难点介绍
一般线性分析只提供支架数据，安装孔采用刚性连接，未考虑电机、模块的质量及安装孔弹性软垫等参数，要使分析结果准确，必须模拟支架实车状态.
（1）模拟难点.因电机及模块处弹性软垫动刚度要求不同，所以需要根据提供的减震垫动刚度曲线及整体ESP坐标图确定电机及模块侧安装孔处的坐标位置.坐标位置不准就会影响动刚度曲线的匹配，模块侧动刚度匹配不好时振动传递明显，过度放大后信号失真.
（2）模拟重点.由于弹性软垫采用线性弹簧模拟，为保证分析的真实性，需要提供系统重心位置、转动惯量以及弹性软垫动刚度曲线.电机及模块的质量以集中质量加在支架质心处，若缺少这些参数，分析结果误差较大，直接影响ESP的控制品质.
4 分析优化案例介绍
4.1 模型建立及频率响应分析
支架性能技术要求：在3个主要方向上进行测量，最小的系统共振频率必须大于50 Hz，共振点的最大增益小于10g，3个方向要求相同.针对支架性能技术要求，分析某車型ESP安装支架系统的振动频率和强迫运动下加速度的最大增益特性.
（1）模型建立.采用壳单元建立支架有限元模型，与车体连接处螺栓采用RBE2单元进行模拟，支架之间采用焊接单元模拟.ESP安装支架有限元模型见图5.
（2）频率响应分析.选取支架与车体连接处的螺栓进行约束固定，在支架与车体连接的螺栓处施加3个方向的激励载荷，分析支架性能.测量支架的传递函数时，需在3个主要方向上进行测量，3个方向要求相同.这里选取具有代表意义的x向作为考察点，得到该支架第1阶共振频率及该频率范围内x向共振点加速度的最大增益幅值.分析模型见图6，优化前支架最小共振频率云图及x向加速度曲线见图7，分析结果见表1.
由表1分析结果及速度响应曲线可知，该支架第1阶共振频率及该频率范围内x向的加速度最大增益特性均不满足所制定的目标要求，直接影响ESP的控制品质，不能很好地传递信号功能.
4.2 优化分析与试验对比
由分析结果可知，该支架第1阶共振频率及该频率范围内x向的加速度最大增益特性均不满足所制定的目标要求，直接影响ESP的控制品质，不能很好地传递信号功能，因此需要对支架的结构进行优化分析[7]，优化后的支架见图8.
从支架模态振型可知，该支架x向变形较大，为增加支架x向局部刚度：（1）将支架1纵横向加筋，支架1的耳朵3处局部加宽10 mm左右，增加7 mm翻边及填孔，且将支架料厚由2.0 mm增加到3.0 mm；（2）将支架2填孔，增加2处纵向筋，同时将料厚也由2.0 mm增加到3.0 mm，以改善结构动力学性能.优化后的分析结果具体见表2，加速度响
应曲线及最小共振频率云图见图9.对优化后的结构进行频率响应分析，共振频率提升38 Hz，增益幅值下降13.5g，说明优化后的结构对整体刚度提升很大.优化后1阶共振频率及x向的加速度最大增益特性均满足性能要求.
后期对该支架进行试验验证，仿真结果与试验分析结果的一致性较好，具体见表2，误差率在10%之内，能很好地反映实车情况.后期路试也未出现过问题，说明该分析方法比较合理.
5 结束语
本文采用有限元软件MSC Nastran对ESP安装支架系统的结构进行动力学性能校核，找到结构较薄弱部位，然后进行支架优化设计，性能提高明显.此分析方法能够快速有效地对该型支架进行动态性能评价，为其动态性能的改善提供参考.
目前，ESP已在轿车和SUV上都得到广泛应用，针对汽车ESP安装支架系统进进行动力学分析具有十分重要的指导意义.
参考文献：
[1] BOSCH公司. BOSCH汽车工程手册[M]. 3版. 顾柏良， 译. 北京理工大学出版社， 2009： 4.
[2] 周平君， 孙大勇， 王文广. 汽车电子稳定系统ESP及应用研究[J]. 黑龙江交通科技， 2011（9）： 261262.
ZHOU P J， SUN D Y， WANG W G. Automotive electronic stability system ESP and its application[J]. Heilongjiang Communications Science and Technology， 2011（9）： 261262.
[3] 宋传学， 李建华， 靳立强. 基于CAN通信的ESP硬件在环试验台开发[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2010 ， 40（S1）： 7175.
SONG C X， LI J H， JIN L Q. Development of ESP HIL test bench based on CAN communication[J]. Journal of Jilin University（Engineering and Technology）， 2010， 40（S1）： 7175.
[4] 许文本， 焦群英. 机械振动与模态分析基础[M]. 北京： 机械工业出版社， 1998： 192.
[5] 黄成刚， 刘永超， 唐述斌. 汽车车身频率响应分析[J]. 湖北汽车工业学院学报， 1999，13（4）： 2729.
HUANG C G， LIU Y C， TANG S B. Analysis of frequency response on body[J]. Journal of Hubei Automotive Industry Institute， 1999 ， 13（4）： 2729.
[6] 陈江红. 车身结构与车内空腔流固耦合系统的模态分析[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（3）： 101105.
CHEN J H. Body structure and car cavity of fluidsolid coupling system on normal modal analysis[J]. Computer Aided Engineering， 2007， 16（3）： 101105.
[7] 崔寬. 基于Abaqus的汽车发动机油底壳动力学性能优化[J]. 计算机辅助工程， 2016， 25（4）： 4549. DOI： 10.13340/j.cae.2016.04.009.
CUI K. Dynamic performance optimization on automobile engine oil pan based on Abaqus[J]. Computer Aided Engineering， 2016， 25（4）： 4549. DOI： 10.13340/j.cae.2016.04.009.
（编辑 武晓英）
