基于SimSolid对汽车动力总成悬置支臂的静力与模态分析

汽车动力总成悬置设计中，对悬置金属支架的强度和模态分析非常重要，CAE分析的准确与否，会直接影响到悬置的可靠性和NVH性能。本文针对某车型的左悬置支臂，使用SimSolid软件对其进行静力与模态分析，并与OptiStruct和Abaqus软件的分析结果进行对比。本文所做分析仅用于对CAE分析软件的学习和交流。文中图片不够清晰的话，可以下载文末PDF原文档观看。

悬置支臂一端连接变速器，另一端连接接悬置的橡胶软垫。汽车在各种工况下行驶时，悬置托臂会受到各个方向的力。本文主要为了验证SimSolid软件的实用性与准确性，故下面仅针对+Z、-Z、+X、-X四个方向各施加8000N的载荷，并对托臂进行简单的对地模态分析。

将变速器侧简化为三个管柱，与支臂、螺栓（M12）一起导入SimSolid软件，建立分析模型。其中支臂材料为铝，其余为铁，材料参数未设置塑形曲线。具体如下图所示：

1. +Z向工况计算

首先，将模型使用传统CAE软件计算，以供参考。验证模型一般先从位移开始，如下图所示，OptiStruct计算结果逐渐收敛，收敛结果与SimSolid基本吻合，相差3%左右。

注：以单元尺寸1mm模型为例，支臂节点数量约24万；如果将1mm单元转化为二阶单元，节点数量将超过170万。因硬件和时间限制，本次验证暂时没有进一步细化模型。

将各种网格尺寸的模型分别使用OptiStruct、Abaqus进行计算，应力计算结果如下：

注：1. 由于材料是铸铝，结果查看最大主应力；

2. 两个软件结果均用Hyperview读取，使用Advanced平均方式；

3. 二阶单元Use corner data；

4. 进行0.5mm二阶模型计算时，因硬件限制，仅对最大应力区域做二阶处理。

从以上结果可以看出， OptiStruct、Abaqus的计算结果随着网格的细化，应力值逐渐收敛到160 MPa左右。下图是SimSolid的计算结果，可以看出，随着计算精度的提升，SimSolid的收敛结果与传统CAE软件基本吻合。

注：提升solutions数量以及勾选Adapt to features是SimSolid提升计算精度的方式。

以上针对+Z向工况验证了SimSolid的计算精度，下面通过对支臂进行-Z、+X、-X工况计算，对比SimSolid与OptiStruct在各工况下应力分布的一致性。为了兼顾计算速度和对几何的适应性，以下OptiStruct模型使用1mm网格计算；而SimSolid使用Max number of adaptive solutions 6 + Adapt to features的求解设置。

2. -Z工况计算

如下图，SimSolid与OptiStruct计算结果的最大主应力差异不大（相差9%，如果OptiStruct使用二阶单元，差异应该进一步减小），最大应力位置相同，应力分布基本相同。

3. +X工况计算

如图，SimSolid与OptiStruct计算结果的最大主应力数值和分布基本吻合：

其中，两个软件计算结果在一个螺栓法兰面的倒角处有些区别，像这种接近接触边界的区域，应力值有较大误差，在这里暂不做讨论。

4. -X工况计算

如下图，SimSolid与OptiStruct计算结果的最大主应力数值和分布基本吻合：

5. 模态计算

如下图，SimSolid与OptiStruct计算结果的最大主应力数值和分布基本吻合，一阶误差0.36%，二阶误差0.22%，三阶误差0.69%：

结论与建议：

1. 通过SimSolid与传统CAE软件的对比分析，从位移、应力和模态三个方面验证了SimSolid的计算精度的可信性；

2. 相比传统CAE软件，相同的硬件配置和计算精度条件下，SimSolid的不仅省略了大量的几何处理和优化网格的时间，计算时间也有数倍地提升；

3. 传统CAE软件对分析经验的要求比较高，尤其是网格类型的选取和后处理，不同的选择可能会导致计算结果有较大差异；而SimSolid则很大程度上避免了这个问题；

4. SimSolid软件短小精悍，界面简洁，容易上手，但当前版本也有很多功能上的缺陷，比如工况的继承性尚不能实现：以本文的计算模型为例，更准确的计算方式应该分两步加载，第一步施加预紧力，然后在预紧力工况基础上施加工况力；

5. SimSolid软件在计算后，偶尔会出现无结果的现象，需要再次提交计算才能读出结果，尚不知是软件原因还是操作原因导致：