空氣濾清器支架強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)
1?引言
在某卡車的整車開發(fā)過程中，多臺車在進(jìn)行45000Km耐久試驗(yàn)時(shí)空氣濾清器支架出現(xiàn)開裂，在對支架進(jìn)行制造、裝配、工藝等方面的檢查后，認(rèn)為該支架在設(shè)計(jì)方面存在問題。為了保證項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)時(shí)間，縮短改進(jìn)周期，掌握改進(jìn)方向，應(yīng)用Nastran軟件對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析，并進(jìn)行臺架試驗(yàn)，最后將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。
2?測試支架振動頻率及振幅
通過分析知道，在靜態(tài)下此支架無斷裂風(fēng)險(xiǎn)，初步判斷此次斷裂由于振動導(dǎo)致，因此對此支架進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。
進(jìn)行頻率響應(yīng)分析時(shí)，為了更好的還原支架破裂的原因，同時(shí)得到更準(zhǔn)確的CAE分析輸入條件，測試該支架在試驗(yàn)場的各種壞路狀況下的振動頻率及振幅，得到支架安裝點(diǎn)在長波路、扭曲路、長搓板路、短搓板路、凸塊路、短波路、石塊路七種路況下的振幅一頻率曲線作為后期CAE分析及臺架試驗(yàn)的依據(jù)。
測試結(jié)束后發(fā)現(xiàn)在直搓板路上X向振動最大，為0.85G。
3?有限元模型的建立
3.1有限元模型的前處理
在整個(gè)有限元求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。包括幾何建模、定義材料屬性和實(shí)常數(shù)（要根據(jù)單元的幾何特性來設(shè)置，有些單元沒有實(shí)常數(shù)）、定義單元類型，網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。
本次有限元分析前處理在HyperMesh中進(jìn)行，因?yàn)镠yperMesh是一個(gè)高性能的有限元前處理軟件，具有強(qiáng)大的幾何清理和網(wǎng)格劃分功能并能有效的模擬各種零件的連接方式，如剛性連接、螺栓連接、彈簧連接等等。
后處理在Nastran中進(jìn)行，Nasran具有很高的軟件可靠性，品質(zhì)優(yōu)秀，得到有限元行業(yè)界的肯定，眾多汽車公司在工業(yè)行業(yè)都用Nasran的計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。
3.2載荷及約束的定義
進(jìn)行頻率響應(yīng)分析時(shí)，對支架安裝點(diǎn)進(jìn)行全約束，同時(shí)在安裝位置施加加速度激勵，方向X\Y\Z三方向，大小參照試驗(yàn)過程中對試驗(yàn)場各種路況下的測試，取1G加速度。
最終施加完載荷與邊界條件的模型如圖3所示。
3.3提交計(jì)算
將前處理好的有限元模型提交到Nasran軟件進(jìn)行計(jì)算，得到支架在X、Y、Z三個(gè)方向?qū)?yīng)頻率下的最大應(yīng)力云圖。
4?顯示結(jié)果
將已處理好的有限元模型提交到求解器進(jìn)行計(jì)算，并通過Hyperview軟件讀取結(jié)果，由于在X向激勵下的應(yīng)力遠(yuǎn)大于Y、Z兩個(gè)方向，故只顯示X向激勵下的分析結(jié)果。
在21HZ時(shí)，在前后方向（X向）1G加速度的激勵下空濾支架斷裂處應(yīng)力達(dá)到253MPa，出現(xiàn)位置與實(shí)際斷裂相吻合。該支架的材料為Q235。查閱相關(guān)資料可以得知該材料的屈服極限為235MPa。而通過分析得到的該支架最大應(yīng)力超過了材料屈服CAE強(qiáng)度，判定存在較大風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了分析仿真故障再現(xiàn)的目的。
5?兩種改進(jìn)方案的提出
由于支架在汽車上布置空間有限，故根據(jù)CAE分析結(jié)果，提出兩種改進(jìn)方案
改進(jìn)方案一中，支架做成一個(gè)整體式，支架本體厚度為3.0mm，質(zhì)量為6.2Kg。
改進(jìn)方案二中，支架直接改為管狀支架，管子厚度為2.0mm，底座厚度為1.5mm，安裝孔部位厚度為2.0mm。支架總成重量為5.5Kg。
運(yùn)用同樣的分析方法，對改進(jìn)后的兩種方案進(jìn)行計(jì)算，并讀取結(jié)果。
方案一X向加速度激勵下的分析結(jié)果：
方案一在28HZ時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到191MPa，超過了材料屈服強(qiáng)度的70%，認(rèn)為在該結(jié)構(gòu)還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。
方案二X向加速度激勵下的分析結(jié)果：
方案二在31HZ時(shí)，最大應(yīng)力為119MPa，小于材料屈服CAE仿真的70%，判定認(rèn)為該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，選用該方案作為最終改進(jìn)方案。
6?臺架試驗(yàn)
為了驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)構(gòu)，對最終選用的改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照J(rèn)IS標(biāo)準(zhǔn)，首先進(jìn)行共振點(diǎn)檢測試驗(yàn)，得到X/Y/Z三個(gè)方向的共振頻率，然后實(shí)施振動耐久試驗(yàn)。
試驗(yàn)判斷基準(zhǔn)：試驗(yàn)后測試功能必須滿足要求，外觀不可變形及破損。
通過臺架試驗(yàn)我們可以知道，最終所選用的方案順利的通過了嚴(yán)格的JIS標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)合分析結(jié)果及臺架試驗(yàn)結(jié)果，最終選定改進(jìn)方案二（支架結(jié)構(gòu)改為管狀結(jié)構(gòu)）作為改進(jìn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，將設(shè)變后的支架應(yīng)用于后續(xù)耐久試驗(yàn)車輛上，進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)，再未出現(xiàn)空氣濾清器支架斷裂的情況。
7?結(jié)束語
運(yùn)用先進(jìn)的CAE手段對空氣濾清器支架進(jìn)行分析，再現(xiàn)了試驗(yàn)故障，依據(jù)分析結(jié)果提出了改進(jìn)方案，對改進(jìn)方案進(jìn)行了再次分析，依據(jù)分析結(jié)果從改進(jìn)方案中選取了最優(yōu)方案，最后將選用的改進(jìn)方案進(jìn)行臺架試驗(yàn)，該方案順利通過了嚴(yán)格的JIS臺架振動試驗(yàn)，最終將此支架進(jìn)行設(shè)計(jì)變更并運(yùn)用于耐久試驗(yàn)，后續(xù)該支架再未出現(xiàn)斷裂故障。運(yùn)用此方法大大縮短了支架改進(jìn)時(shí)間，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的成本，同時(shí)將振動分析與臺架試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論與試驗(yàn)指導(dǎo)，為同類問題的解決提供了工程經(jīng)驗(yàn)。
原文來源：http://www.chaopingtech.com/