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摘要：随着能耗、环保和安全成为汽车工业发展所面临的三大难题，实现汽车的轻量化设计已成为世界汽车领域的研究热点。本文利用HyperMesh软件的OptiStruct模块.对汽车发动机支架采取肋板结构的自由形状优化。通过优化前后的模型质量的对比查看轻量化设计的效果，部件的最终质量减轻比为6.06%。
关键词：OptiStruct；结构优化；静力学分析
1.发动机支架的结构模型
发动机支架作为汽车动力系统的重要组成部件，不仅起着固定汽车发动机的重要作用，还起到隔离来自汽车底盘和驾驶室振动的作用，其结构刚度和强度的好坏直接关系到车辆系统的可靠性。发动机通常需要多个支架来将发动机固定到车架上，还有附加的支架用于支承变速器或驱动桥，同时也支承发动机，不同位置的发动机支架的形状也不尽相同。本文中要进行优化的汽车发动机支架，主要是由2块纵向肋板和1块底板构成。汽车发动机通过支架上方的2个螺栓孔与支架相连接，其重力则通过连接螺栓加载在支架上。支架的底板上有5个螺栓孔用来与支架底座相连接。汽车发动机支架的三维模型图如下图1所示。
将上图所示的三维模型导入HyperMesh软件，通过网格划分生成有限元模型。支架上方的2个螺栓孔用于与发动机相连接，由于发动机转动时产生的振动通过连接螺栓会带动支架振动，所以两者之间不是刚性连接，故在CAE模型中上方2个螺栓用RBE3单元来模拟此处的连接方式。下方的5个螺栓孔在与支架底座相连接时可视为刚性结构，故在CAE模型中用RBE2单元来模拟此处的连接方式
2发动机支架的材料属性
本文中进行优化的发动机支架的材料是高强钢，其弹性模量E=2.1MPa；泊松比NU=O.3；密度RHO=7.9ton/；屈服强度在210Mpa～550Mpa之间。
创建两个属性，并将材料属性都勾选为steel，将其分别赋给优化设计区域的组件和非优化设计区域的组件，汽车发动机支架的属性设置图如图2所示。
3发动机支架的约束载荷
首先，创建四个负载收集器用以添加约束和载荷。由于发动机支架与底座通过5个固定螺栓孔相连，所以需要给这5个螺栓孔赋予全约束，即x、y和z三个方向的平移自由度和转动自由度要全部加以约束，施加之后显示的约束标识为123456。
本次优化中，发动机的重力应作为支架的外载荷，此次优化中所选取的通用型轿车的发动机支架，其发动机的质量一般为200kg，故根据实际情况并为了保证使用的安全性对发动机支架施加了取值为2500N的外力。
4发动机支架的形状优化
在确定了发动机支架的载荷和边界条件后要定义优化问题。首先，创建发动机支架的自由形状设计变量，从分析页面进入优化面板，选择free shape按钮，创建自由形状设计变量，在本次优化中选择发动机的肋板的上部分为自由形状优化设计空间（图中白色所示部分），即为形状优化变量的取值域；然后，根据所要定义的约束条件和目标函数定义相应的结构响应，本次优化中需定义一个一般工况下的节点位移响应和一个静应力响应，以及一个目标函数的体积响应；然后便可以定义本次优化的约束条件，为了满足优化发动机支架力学性能的目的，将约束条件定义为优化设计区内的作用力节点的位移和应力均小于初始模型；最后，定义目标函数为体积最小化，从而实现发动机支架质量最小化的目标。
由于在hyperView软件中的默认状态下的查看选项中只有节点的位移和应力两个选项，所以为了查看优化模型的形状变化，需要定义形状卡片。定义步骤如下：首先，在分析页面选择controlcards面板点击进入，选择shape按钮，选择相应的格式和类型，定义完成后，便可进入优化面板，点击OptiStruct按钮开始发动机支架的自由形状优化过程，此次优化过程运行时间较短。
5发动机支架的优化结果
5.1查看变形处的应力
将优化完成后的结果文件用HyperView打开，查看本次优化的迭代次数为24次，由于发动机支架肋板处形状的改变会对改变单元节点处的应力，应力又是发动机支架的一项重要力学指标，故此处要对发动机支架的肋板变形处经迭代优化后的应力云图进行查看，支架形状设计区域的应力云图如图3所示。
图3发动机支架形状设计区域的应力云图
由上图可知，本次进行自由形状优化的设计区域，即发动机支架的肋板处的最大应力为71.62Mpa，而发动机支架的材料为高强钢，其屈服强度在210Mpa～550Mpa之间，变形区域的最大应力也远低于其屈服极限，故本次优化的结果合理。
6一般工况的线性静力学分析
综合考虑汽车发动机支架的工作特性之后，本文中对优化前后模型的一般工况分别进行了位移和应力的线性静力学分析，用以验证优化的结果。
6.1位移分布云图
在一般工况下，汽车发动机支架进行自由形状优化前后的位移分布云图分别如图4和5所示。
由上图可知，在一般工况下，发动机支架原模型的作用力节点的最大位移为O.2060mm，优化模型的最大位移为O.1115mm，较优化前有所降低，满足约束条件。
在一般工况下，汽车发动机支架进行形状优化前后的应力分布云图分别如图6和7所示。
6.2应力分布云图
由图可知，在一般工况下，发动机支架原模型的作用力节点的最大应力为100.8MPa，优化模型的最大应力为58.65MPa，优化后模型的最大应力值较优化前均有所降低，满足约束要求。
结构优化完成后，对优化模型进行了静力学分析用以检验优化的结果，模型优化前后的靜力学分析参数如下。
位移优化前0.2060mm，优化后0.1115mm；应力优化前100.8MPa，优化后58.65MPa；汽车发动机优化前质量25.65kg，优化后质量21.53kg，质量减轻16.06%。优化模型的作用力节点的位移和应力低于原模型，力学性能提高，满足约束条件。
关键词：OptiStruct；结构优化；静力学分析
1.发动机支架的结构模型
发动机支架作为汽车动力系统的重要组成部件，不仅起着固定汽车发动机的重要作用，还起到隔离来自汽车底盘和驾驶室振动的作用，其结构刚度和强度的好坏直接关系到车辆系统的可靠性。发动机通常需要多个支架来将发动机固定到车架上，还有附加的支架用于支承变速器或驱动桥，同时也支承发动机，不同位置的发动机支架的形状也不尽相同。本文中要进行优化的汽车发动机支架，主要是由2块纵向肋板和1块底板构成。汽车发动机通过支架上方的2个螺栓孔与支架相连接，其重力则通过连接螺栓加载在支架上。支架的底板上有5个螺栓孔用来与支架底座相连接。汽车发动机支架的三维模型图如下图1所示。
将上图所示的三维模型导入HyperMesh软件，通过网格划分生成有限元模型。支架上方的2个螺栓孔用于与发动机相连接，由于发动机转动时产生的振动通过连接螺栓会带动支架振动，所以两者之间不是刚性连接，故在CAE模型中上方2个螺栓用RBE3单元来模拟此处的连接方式。下方的5个螺栓孔在与支架底座相连接时可视为刚性结构，故在CAE模型中用RBE2单元来模拟此处的连接方式
2发动机支架的材料属性
本文中进行优化的发动机支架的材料是高强钢，其弹性模量E=2.1MPa；泊松比NU=O.3；密度RHO=7.9ton/；屈服强度在210Mpa～550Mpa之间。
创建两个属性，并将材料属性都勾选为steel，将其分别赋给优化设计区域的组件和非优化设计区域的组件，汽车发动机支架的属性设置图如图2所示。
3发动机支架的约束载荷
首先，创建四个负载收集器用以添加约束和载荷。由于发动机支架与底座通过5个固定螺栓孔相连，所以需要给这5个螺栓孔赋予全约束，即x、y和z三个方向的平移自由度和转动自由度要全部加以约束，施加之后显示的约束标识为123456。
本次优化中，发动机的重力应作为支架的外载荷，此次优化中所选取的通用型轿车的发动机支架，其发动机的质量一般为200kg，故根据实际情况并为了保证使用的安全性对发动机支架施加了取值为2500N的外力。
4发动机支架的形状优化
在确定了发动机支架的载荷和边界条件后要定义优化问题。首先，创建发动机支架的自由形状设计变量，从分析页面进入优化面板，选择free shape按钮，创建自由形状设计变量，在本次优化中选择发动机的肋板的上部分为自由形状优化设计空间（图中白色所示部分），即为形状优化变量的取值域；然后，根据所要定义的约束条件和目标函数定义相应的结构响应，本次优化中需定义一个一般工况下的节点位移响应和一个静应力响应，以及一个目标函数的体积响应；然后便可以定义本次优化的约束条件，为了满足优化发动机支架力学性能的目的，将约束条件定义为优化设计区内的作用力节点的位移和应力均小于初始模型；最后，定义目标函数为体积最小化，从而实现发动机支架质量最小化的目标。
由于在hyperView软件中的默认状态下的查看选项中只有节点的位移和应力两个选项，所以为了查看优化模型的形状变化，需要定义形状卡片。定义步骤如下：首先，在分析页面选择controlcards面板点击进入，选择shape按钮，选择相应的格式和类型，定义完成后，便可进入优化面板，点击OptiStruct按钮开始发动机支架的自由形状优化过程，此次优化过程运行时间较短。
5发动机支架的优化结果
5.1查看变形处的应力
将优化完成后的结果文件用HyperView打开，查看本次优化的迭代次数为24次，由于发动机支架肋板处形状的改变会对改变单元节点处的应力，应力又是发动机支架的一项重要力学指标，故此处要对发动机支架的肋板变形处经迭代优化后的应力云图进行查看，支架形状设计区域的应力云图如图3所示。
图3发动机支架形状设计区域的应力云图
由上图可知，本次进行自由形状优化的设计区域，即发动机支架的肋板处的最大应力为71.62Mpa，而发动机支架的材料为高强钢，其屈服强度在210Mpa～550Mpa之间，变形区域的最大应力也远低于其屈服极限，故本次优化的结果合理。
6一般工况的线性静力学分析
综合考虑汽车发动机支架的工作特性之后，本文中对优化前后模型的一般工况分别进行了位移和应力的线性静力学分析，用以验证优化的结果。
6.1位移分布云图
在一般工况下，汽车发动机支架进行自由形状优化前后的位移分布云图分别如图4和5所示。
由上图可知，在一般工况下，发动机支架原模型的作用力节点的最大位移为O.2060mm，优化模型的最大位移为O.1115mm，较优化前有所降低，满足约束条件。
在一般工况下，汽车发动机支架进行形状优化前后的应力分布云图分别如图6和7所示。
6.2应力分布云图
由图可知，在一般工况下，发动机支架原模型的作用力节点的最大应力为100.8MPa，优化模型的最大应力为58.65MPa，优化后模型的最大应力值较优化前均有所降低，满足约束要求。
结构优化完成后，对优化模型进行了静力学分析用以检验优化的结果，模型优化前后的靜力学分析参数如下。
位移优化前0.2060mm，优化后0.1115mm；应力优化前100.8MPa，优化后58.65MPa；汽车发动机优化前质量25.65kg，优化后质量21.53kg，质量减轻16.06%。优化模型的作用力节点的位移和应力低于原模型，力学性能提高，满足约束条件。