本文應(yīng)用Altair公司的有限元軟件HyperWorks，對(duì)某轎車的空濾器支架進(jìn)行了強(qiáng)度分析，找出了空濾器支架路試斷裂的原因，據(jù)此對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

1概述

隨著仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析已經(jīng)成為汽車產(chǎn)品仿真分析的關(guān)鍵手段。而汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是汽車產(chǎn)品仿真分析最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。通過應(yīng)用有限元分析，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期充分利用有限元分析軟件快速有效地模擬產(chǎn)品在各種工況下的狀態(tài)，幫助工程師及時(shí)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文以某轎車空濾器支架為分析對(duì)象，利用Altair公司的HyperMesh建立準(zhǔn)確合理的有限元模型，利用HyperView進(jìn)行結(jié)果后處理，利用線性分析軟件快速、高效的得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形云圖，找出失效原因，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了針對(duì)性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，經(jīng)過道路試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案效果良好。

2空濾器支架斷裂問題描述

某款轎車在可靠性道路試驗(yàn)完成總里程的80%時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)空濾器支架出現(xiàn)斷裂失效，斷裂失效的圖片如圖1所示。斷裂原因初步認(rèn)為是空濾器安裝點(diǎn)與支架根部的力臂太長(zhǎng)，支架本體結(jié)構(gòu)薄弱，在起伏路面顛簸導(dǎo)致疲勞開裂。本文對(duì)該問題進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

3強(qiáng)度分析

3.1 有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)部門工程師提供的車體3D幾何數(shù)據(jù)，利用HyperWorks的前處理建模軟件HyperMesh進(jìn)行有限元離散，鈑金件用2D殼單元建模，電器元件及空濾器本體用集中質(zhì)量代替，集中質(zhì)量用rbe3連接到車體相應(yīng)的安裝孔上。為了提高計(jì)算速度，同時(shí)又保證模型精度，取A柱前段的整個(gè)機(jī)艙建立有限元模型?？諡V器支架強(qiáng)度分析所用的有限元模型如圖2所示。

3.2 材料屬性

空濾器支架材料為DC03，其他材料包括DC01、B280DP，強(qiáng)度分析所用的材料參數(shù)由CAE材料數(shù)據(jù)庫中得到。

3.3加載工況及分析方法

模型截取的斷面約束123456自由度，前支柱安裝支座約束123自由度。在路試工況下，空濾器支架主要承受垂向載荷，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的激勵(lì)情況，給結(jié)構(gòu)施加6G的過載系數(shù)。

為便于不同方案與基礎(chǔ)車之間做對(duì)比，用相同的約束和加載，采用對(duì)比分析。

3.4 基礎(chǔ)車強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)給定工況，對(duì)原狀態(tài)車也就是基礎(chǔ)車進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到分析結(jié)果圖3所示。利用HyperView查看分析結(jié)果。

由分析結(jié)果可知，基礎(chǔ)車空濾器支架在顛簸工況下最大位移為8.0mm，最大應(yīng)力為239MPa，最大應(yīng)力位于支架折彎處，應(yīng)力集中較嚴(yán)重，與路試斷裂位置基本一致。

3.5結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析及試驗(yàn)驗(yàn)證效果

針對(duì)基礎(chǔ)車空濾器支架的強(qiáng)度分析結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際受載情況，給出三個(gè)優(yōu)化方案。通過相同工況下的對(duì)比分析，解決支架結(jié)構(gòu)薄弱引起的斷裂問題。

3.5.1 優(yōu)化方案1

為提高空濾器支架的局部剛度，將支架厚度由原來的1.0mm增加到1.2mm，方案1分析結(jié)果如圖4所示。

支架厚度由1.0mm增加到1.2mm后，最大位移較基礎(chǔ)車降低10%，應(yīng)力降低17.1%。但應(yīng)力集中部位仍處于折彎處的疲勞失效敏感部位。

3.5.2 優(yōu)化方案2

在初始模型基礎(chǔ)上，增加一個(gè)加強(qiáng)件(圖示中蘭色的件)，厚度1.0mm，加強(qiáng)件中間設(shè)計(jì)一縱向貫通的筋，兩端各打兩顆焊點(diǎn)，分別與水箱上橫梁與空濾器支架相連。方案2如圖5所示。

優(yōu)化方案2分析結(jié)果如圖6所示。

由分析結(jié)果可知，方案2最大位移較基礎(chǔ)車降低3.75%，最大應(yīng)力為221MPa，較基礎(chǔ)車降低7.5%，效果不明顯，且應(yīng)力集中部位仍為折彎處，存在疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5.3 優(yōu)化方案3

因空濾器支架折彎處始終存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，故更改支架的結(jié)構(gòu)，取消折彎，同時(shí)將支架寬度由27mm增加到43mm，增加一個(gè)厚度為1.0mm的加強(qiáng)件，方案3如圖7所示。

優(yōu)化方案3分析結(jié)果。

方案3最大位移為5.0mm，較基礎(chǔ)車降低37.5%，最大應(yīng)力為168MPa，較基礎(chǔ)車降低29.7%，效果明顯。應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在空濾器根部的一側(cè)翻邊位，該位置不屬于疲勞敏感部位。因此該方案效果最為明顯。

3.6 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證效果

根據(jù)優(yōu)化方案分析結(jié)果，方案3對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的改善最為明顯，工程部門根據(jù)建議采用了優(yōu)化方案3。通過后期的可靠性道路試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案實(shí)施以后，空濾器支架未再出現(xiàn)路試斷裂的現(xiàn)象，完全滿足了設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

本文對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行有限元建模分析，找出了空濾器支架道路試驗(yàn)開裂的原因。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效的降低了空濾器支架局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免了可靠性路試再次出現(xiàn)開裂的問題。

通過HyperWorks軟件，可以準(zhǔn)確的對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散及虛擬仿真，快捷、有效的解決實(shí)際工程問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。

5 參考文獻(xiàn)

[1]Altair HyperWorks User’s Manual

[2]寇洪濱,趙永昌 基于焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè)的某轎車后橋改進(jìn)設(shè)計(jì) 汽車技術(shù) 2010

[3]馬慶豐,汪謨清,李戈操 基于HyperWorks的全向側(cè)面叉車車價(jià)結(jié)構(gòu)有限元分析 機(jī)電工程技術(shù)2010(end)