基于TB超单元的冷却模块衬套刚度尺寸优化_刘波.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n基于T B超单元的冷却模块衬套刚度尺寸优化刘 波1,杨国富1,史艳花1,王昌胜1,胡传俊2(1.浙江零跑科技股份有限公司整车研发部,浙江 杭州 3 1 0 0 5 3;2.上海蔚来汽车有限公司整车工程中心,上海 2 0 1 8 0 5)摘 要:在纯电动汽车领域由于没有了发动机,前端冷却模块的激励导致的振动问题就更加凸显了,为了降低座椅的振动前期通过模态分布表,将座椅的模态频率和冷却模块的刚体模态频率错开降低座椅抖动大的风险。本文通过O P T I S T RU C T求解器对冷却模块的衬套刚度进行尺寸优化,应用超单元技术,将和冷却模块相连接的T r i m-b o d y模型进行简化,以节约优化迭代步骤和时间,同时将优化的衬套刚度结果反馈给设计部门,为衬套刚度的设计提供依据和方向。关键词:超单元;尺寸优化;O P T I S T RU C T;冷却模块 中图分类号:U 4 6 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 1 0 3-0 3O p t i m i z a t i o no fB u s h i n gS t i f f n e s sa n dD i m e n s i o no fC o o l i n gM o d u l eB a s e do nT BS u p e r c e l lL i uB o1,Y a n gG u o-f u1,S h iY a n-h u a1,W a n gC h a n g-s h e n g1,H uC h u a n-j u n2(1.V e h i c l eR&DD e p a r t m e n to fZ h e j i a n gL i n g p a oT e c h n o l o g yC o.,L t d.,Z h e j i a n gH a n g z h o u3 1 0 0 5 3;2.V e h i c l eE n g i n e e r i n gC e n t e ro fS h a n g h a iW e i l a iA u t o m o b i l eC o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 5)A b s t r a c t:I nt h e f i e l do f p u r e e l e c t r i cv e h i c l e s,t h ev i b r a t i o np r o b l e mc a u s e db y t h e e x c i t a t i o no f t h e f r o n t e n dc o o l i n gm o d u l e i sm o r ep r o m i n e n tb e c a u s et h e r ei sn oe n g i n e.I no r d e rt or e d u c et h ev i b r a t i o no ft h es e a t,t h em o d a l f r e q u e n c yo f t h es e a ta n dt h er i g i db o d ym o d a l f r e q u e n c yo f t h ec o o l i n gm o d u l ea r es t a g g e r e dt h r o u g ht h em o d a l d i s t r i b u t i o nt a b l e i nt h ee a r l ys t a g e t or e d u c e t h er i s ko f l a r g es e a t j i t t e r.T h i sp a p e ro p t i m i z e s t h es i z eo ft h eb u s h i n gs t i f f n e s so ft h ec o o l i n gm o d u l et h r o u g ht h eO P T I S T RU C Ts o l v e r,a n ds i m p l i f i e st h eT r i mb o d ym o d e l c o n n e c t e dw i t ht h e c o o l i n gm o d u l eb yu s i n g t h e s u p e r e l e m e n t t e c h n o l o g y t os a v e t h eo p t i m i z a t i o n i t e r a t i o ns t e p sa n dt i m e.A t t h es a m e t i m e,t h eo p t i m i z e db u s h i n gs t i f f n e s sr e s u l t sa r e f e db a c kt ot h ed e s i g nd e p a r t m e n tt op r o v i d e t h eb a s i sa n dd i r e c t i o nf o r t h ed e s i g no fb u s h i n gs t i f f n e s s.K e yw o r d s:S u p e r c e l l;S i z eo p t i m i z a t i o n;O P T I S T RU C T;C o o l i n gm o d u l e作者简介:刘波(1 9 9 0)男,汉,湖南株洲人,本科,研究方向:NVH仿真。0 概述在有限元分析过程中,对于复杂的有限元模型,往往不只是计算一次。在优化迭代过程中,大部分的子系统结构是不需要进行更改的,将那些不需要更改的零部件以及子系统,缩减为包含简化结构质量矩阵、刚度矩阵、传递函数等类型的特殊单元(超单元),从而节约计算时间和资源。本文通过将不需要更改的T r i m-b o d y缩减为超单元,将T r i m-b o d y和冷却模块衬套连接点作为超单元的界面点即外节点,T r i m-b o d y的简易外形轮廓点作为内节点,优化模型由冷却模块、冷却模块衬套及T r i m-b o d y超单元组成,将冷却模块衬套的刚度值作为设计变量,使冷却模块的刚体模态达到预设目标值进行优化,从而得到合理的衬套刚度值,用于设计指导。1 超单元的基本介绍超单元就是在一个完整的有限元模型中,将不需要反复修改的部分,通过我们关注的特性用模态、矩阵、传递函数的形式提取出来,提取过程就称为超单元的生成,将剩余的模型和超单元的界面点进行连接,形成一个新的完整有限元模型,再进行常规的有限元分析;O P T I S T RU C T中存在3种生成超单元的缩聚类型:静力缩聚、动态缩聚、组件动力学分析。静力缩聚公式(1):Ko o T Ko aKo a Ka auoua=P oP a(1)动态缩聚公式(2):Ko oKo aKo a TKa a-W2Mo o00Ma aX oX a=00(2)K o o为内部刚度矩阵,K o a为内部自由度对外部自由度的刚度矩阵,K a a为界面点即外部自由度的刚度矩阵,U o为内部节点自由度的位移,U a为界面点自由度的位移,P o为内部自由度的载荷,P a为外部自由度的载荷,静力缩聚公式中不包含质量矩阵,因此适宜线性的静力学分析,不适合动态分析;W为圆频率,M o o为内部自由度质量矩阵,M a a为界面点自由度质量矩阵,X o为内部自由度特征向量,X a为界面点自由度特征向量,动态缩聚公式包含刚度和质量矩阵,因此适用于静力学分析、动态的线性分析。组件动力学分析:C o m p o n e n tD y n a m i cA n a l y s i s,该方法主要是将有限元模型缩减为每个加载频率下组件动力学矩阵,即界面点到内部点或界面点之间的传递函数。缩减结果通常可用于传递函数之间的综合运算,由于得到的301DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0062 0 2 3年第9期传递函数不再受内部模态数量的限制,因此比动态缩聚下的超单元速度更快。本文将采用动态缩聚的方式将T r i m-b o d y转化成超单元再和带冷却模块(质量点简化模型)的有限元模型组合,进行衬套尺寸刚度优化从而满足冷却模块刚体模态的预设频率。2 超单元模型构建及校核2.1 完整模型模态计算将完整的有限元模型导入HY P E RME S H中,设置模态求解卡片E I G R A,求解模态频率为0-5 0 H z,建立自由模态分 析 工 况 并 输 出 所 有 节 点 的 位 移,导 入O P T I S T-RU C T求 解 器 进 行 模 态 求 解,完 整 有 限 元 模 型 如 图1所示:图1 完整有限元模型2.2 T r i m-B o d y超单元创建将简化后的T r i m-B o d y模型导入到HY P E RME S H软件中,标记T r i m-B o d y轮廓点和冷却模块衬套连接点(界面点),并用P L O T E单元进行连接,设置CM S ME TH(部件模态综合方法)卡片,超单元的结果的I D需和所有单元I D避开,求解类型为AM S E S(AM S E S为子结构划分法和E I G R A控制卡片模态求解方式一致)。通过卡片MO D E L设置输出所有的P L O T E单元,OUT P UT卡片设置输出H 3 D格式结果,通过O P T I S T RU C T求解器分析得到H 3 D格式的动态缩聚的超单元结果,T r i m-B o d y缩减的超单元模型示意如图2所示:图2 缩减的T r i m-B o d y超单元模型2.3 超单元和冷却模块组合通过控制卡片A s s i g n命令,将超单元结果文件附加到带衬套的冷却模块(简化模型)模型中,这样就形成了包含超单元的完整模型,导入O P T I S T RU C T求解器进行模态求解。超单元和剩余组合模型如图3所示:图3 超单元和剩余组合模型2.4 完整模型和超单元组合模型结果对比据统计完整有限元模型的节点数为2 8 7 6 4 5 3个,单元数为3 5 1 0 7 3 1个,利用超单元缩减后组合的有限元模型节点数为:4 1个,单元数为:6 1个,相比完整模型节点数缩减9 9.9 9 8%,单元数缩减9 9.9 9 8%。求解完成后,冷却模块刚体模态的结果对比如表1所示:表1 完整模型和基于超单元组合模型冷却模块刚体模态结果对比参数对比M o d e-T xM o d e-T yM o d e-T z总时间完整模型1 1.3 0 H z1 5.7 3 H z2 3.8 9 H z2 h基于超单元模型1 1.3 0 H z1 5.7 2 H z2 3.8 7 H z1.6 h 完整模型的模态和基于超单元模型的冷却模块模态最大误差在0.0 2 H z范围内,误差小,因此可以基于超单元和剩余模型组合,进行有限元分析优化。3 基于超单元模型下的衬套刚度优化在模态分布表中,整车状态下座椅模态控制在1 8 H z以上,而悬架的模态在1 6 H z以内,为了便于子系统模态解耦,冷却模块的刚体模态需要设置为1 7 H z。而现在初始状态下的衬套刚度不能满足1 7 H z要求,因此需要对衬套刚度进行优化。在包含超单元的模型中,对衬套刚度进行尺寸优化,使冷却模块的刚体模态满足系统目标1 7 H z。3.1 设计变量-冷却模块衬套刚度设置设计变量变更范围,在HY P E RME S H软件中通过O p t i m i z a t i o n-S i z e-D e s v a r命 令 设 置 变 量 并 进 行 关 联。名称:U P_X,初始值:原始刚度值,下限值:原始值*0.1并四舍五入取整,上限值:原始值*1 0并四舍五入取整;再对设计变量和衬套B u s h属性进行关联,关联关系公式如(3):Pi=C O+iC O E FiD V I Di(3)Pi为关联的设计变量,C O为关联常数,C O E Fi为关联方程系数,D V I Di为关联的变量I D变量名称及变量初始值及范围如表2所示:表2 变量名称及变量初始值及范围变量标识变量I D变量名称初始值下限值上限值D E S VA R1U P_X3 543 5 0D E S VA R2U P_Y1 111 1 0D E S VA R3U P_Z2 022 0 0D E S VA R4L L_X1 4 21 41 4 2 0D E S VA R5L L_Y1 9 41 91 9 4 0D E S VA R6L L_Z1 8 51 91 8 5 0D E S VA R7L R_X1 6 21 61 6 2 0D E S VA R8L R_Y1 9 11 91 9 2 0D E S VA R9L R_Z1 6 51 71 6 5 0 变量和衬套B U S H属性进行关联结果如表3所示:表3 变量和衬套B U S H属性进行关联变量关联识别号I D属性B u s h I D刚度方向C OD V I D C O E F iD V P R E L 11 P B U S H140.011.0D V P R E L 12 P B U S H150.021.0D V P R E L 13 P B U S H160.031.0D V P R E L 14 P B U S H240.041.0D V P R E L 15 P B U S H250.051.0D V P R E L 16 P B U S H260.061.0D V P R E L 17 P B U S H340.071.0D V P R E L 18 P B U S H350.081.0D V P R E L 19 P B U S H360.091.0 衬套共有3个,分别为上衬套(U P),下左衬套(L L),下右衬套(L R),X Y Z表示不同整车坐标系方向。401内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n3.2 响应设置1-冷却模块的X Y Z平动方向的刚体模态在O p t i m i z a t i o n中找到R e s p o n s e命令,设置响应名称T x,响应类型为F r e q u e n c y,模态阶次9,按照表4依次完成其它两个方向的响应设置,并在控制卡片P A R AM,选择MO D E T R AK并勾选Y E S,在计算过程中能够锁定我们需要优化的模态振型。表4 刚体模态对应的模态阶次R e s p o n s eN a m eT xT yT z阶次9阶1 4阶2 4阶对应频率值1 1.3 0H z1 5.7 2H z2 3.8 7H z3.3 响应设置2-D S Y S I D在O p t i m i z a t i o n中找到R e s p o n s e命令,生成D S Y S I D响应,公式表达如(4):ni=1WiFi-TiTi2(4)Wi为 权 重 因 子,默 认 值 为1,Ti模 态 参 考 值 设 置为1 7 H z,3.4 设置目标函数-D S Y S I D响应最小即需要冷却模块的刚体模态值和参考值之间的差值最小,从而满足D S Y S I D值最小进行优化。最终迭代的衬套刚度如表5所示:表5 最终迭代下的冷却模块衬套刚度D E S I GN E DP R O P E R T YI T EM STA B L ED V P R E L 1/2U S E R-I DP R O P-T Y P EP R O P-I DI T EM-C O D EP R O P-VA L U ED V P R E L 11P B U S H141.1 8 3 E+0 2D V P R E L 12P B U S H153.1 5 2 E+0 2D V P R E L 13P B U S H163.4 9 1 E+0 1D V P R E L 14P B U S H246.7 4 1 E+0 1D V P R E L 15P B U S H253.6 6 5 E+0 2D V P R E L 16P B U S H263.7 5 5 E+0 1D V P R E L 17P B U S H343.2 0 9 E+0 1D V P R E L 18P B U S H353.6 1 3 E+0 2D V P R E L 19P B U S H364.5 3 4 E+0 1 模态频率及D S Y S I D响应迭代的过程及结果如图4所示:图4 模态及D S Y S I D响应迭代结果总共迭代7步,用时共5 s,根据图4的迭代结果可以看出:冷却模块的刚体模态从初始迭代T x:1 1.3 H z、T y:1 5.7 2 H z、T z:2 3.8 7 H z到最终迭代结果1 7.0 H z,D S Y S I D的响应结果趋近于0,同时得到满足模态要求的衬套刚度值(表5所示),将衬套刚度值代入到完整的模型中计算,通过 验 算 得 到 冷 却 模 块 刚 体 模 态T x:1 7.0 2 H z、T y:1 7.0 5 H z、T z:1 7.0 1 H z,经过校核衬套的刚度值满足冷却模块模态设计要求。将衬套刚度结果反馈给设计,完成仿真优化对设计的指导。4 结束语本文通过对完整的T r i m-b o d y模型简化为超单元模型的方法,有效的缩短了计算时间,节约了计算资源,提高了计算效率。简化模型分析计算得出的结果,与未简化模型的结果对比,误差在0.0 8%范围内,确保了超单元结果的准确性及可适用性。在超单元和剩余组合模型中,在满足冷却模块的刚体模态预设目标的前提下,得到冷却模块衬套刚度结果,验证后得到冷却模块的刚体模态和优化结果基本一致,且迭代时间更短,对设备资源要求更低,衬套刚度值可直接反馈给设计,为设计提供参考指导。参考文献:1 邓雅琼,苗玉苹,敬敏,鲍键铭.基于超单元法的铸铝减震塔多模型拓扑优化.北京汽车研究院新技术院J,北京1 0 1 3 0 0;奥 汰 尔 工 程 软 件(上 海)有 限 公 司,上海2 0 0 4 3 6.2 李 昂,刘初升.基于超单元技术的大型复杂结构的拓扑优化 设 计 J.中 国 矿 业 大 学 机 电 工 程 学 院,徐州,2 2 1 1 1 6.3 陈文雯.结构有限元模型型修正中的模态缩聚及扩展概述J.江苏建筑,2 0 1 3年第3期.501