汽車工況法排放檢測艙的有限元分析

夏均忠，王 萌，王彥鋒，李樹珉

（1.軍事交通學院汽車工程系，天津 300161；2.解放軍96162部隊，江西 贛州 341000）

0 引 言

環境保護的觀念已深入人心，汽車排放控制要求日益提高。相比汽車雙怠速檢測法，工況法排放檢測是在汽車加載的情況下測試其排氣污染物，它較真實地反映了汽車行駛狀態下的實際排放狀況[1-2]。汽車工況法排放檢測主要應用在汽車固定檢測站內，國內尚無相關移動檢測設備，該文將汽車工況法排放檢測設備與方艙設計相結合，研制了汽車工況法排放檢測艙用于移動檢測。但由于其結構復雜，僅靠經典力學分析難以完成其結構優化設計，因此對其進行了有限元分析。

有限元分析軟件采用COSMOS/Simulation，它為設計工程師在SolidWorks的環境下提供了有力的結構分析手段。借助其強大的功能，設計工程師能非常迅速地實現對復雜結構設計的分析與驗證，并且獲得修正和優化設計所需的必要信息，縮短設計所需的時間，提高設計質量及降低設計成本等[3-4]。

1 排放檢測艙的結構組成

排放檢測艙主要由控制間、安裝有檢測平臺及引板等的設備間、附屬間3部分組成，如圖1所示。

檢測平臺上安裝底盤測功機（包括測功器、慣性飛輪、舉升機構等）、引橋和安全防護裝置等，組成排放檢測艙中部的設備間；廢氣分析儀、不透光煙度計和檢測控制系統等安裝在檢測艙前部的控制間內；動力電配電箱、空氣壓縮機等安裝在檢測艙后部的附屬間內。到達檢測地點后，安裝在檢測艙四角的電動支腿伸展到地面，撐起檢測艙，運載車前行，檢測艙落下平放到地面。檢測平臺的引板在電動機帶動下展開，組成一個移動式汽車工況法排放檢測站。其平面展開狀態如圖2所示。受檢車輛在底盤測功機上按標準要求工況運行，然后通過廢氣分析儀或不透光煙度計測量汽車的排氣污染物。

圖1 汽車工況法排放檢測艙

2 有限元分析

為檢查排放檢測艙結構設計的科學性和合理性，對其進行有限元分析，分析過程如下。

2.1 模型建立

對排放檢測艙進行有限元分析，其力學模型的正確與否直接影響到分析結果?；赟oildWorks 2010建立的排放檢測艙的實體模型如圖3所示。按以下原則進行模型的簡化：

（1）如果構件和結構上的細節對問題的求解影響較小，可以將其忽略。

（2）由于任何構件或零部件都是三維的，當其某1個方向或2個方向尺寸遠小于其他方向的尺寸時，可以簡化為桿或板[5]。

2.2 網格劃分

基于COMOS/Simulation的分析模塊，采用混合網格及局部網格加密技術對承重部件底座框架和4個支腿進行單元網格加密，其他部分采用適當稀疏的網格劃分，考慮到艙體采用復合材料制成，采用板殼單元劃分。排放檢測艙有限元模型的網格劃分如圖4所示。

2.3 艙體材料

排放檢測艙的梁和支腿采用的是Q235鋼材；頂面及側壁采用復合夾層材料，上下層各厚1.5mm均采用鋁合金材料，中間夾層采用環氧樹脂填充，厚度為45mm。所用材料的屬性見表1。

表1 材料的力學性能指標

圖2 排放檢測艙平面展開示意圖

圖3 排放檢測艙的有限元模型

圖4 排放檢測艙有限元模型的網格劃分圖

圖5 排放檢測艙的邊界條件

2.4 邊界條件

基于最大受力工況施加力和位移約束。4個支腿底部固定，考慮了結構自重和電機、軸承、滾筒等對底架的壓力。具體施加的邊界條件如圖5所示。

圖6 排放檢測艙的靜應力圖

圖7 排放檢測艙靜應力條件下的位移圖

2.5 結果分析

從應力云圖結果可知，最大Von Mises應力只有23.4MPa，相對于鋁合金的屈服極限225MPa而言具有9.62的安全系數。其中底架與4個支腿上的應力較大，且最大應力出現在后支腿與底架的連接處，其主要原因為重力和施加外載產生的剪力，而4個支腿主要承受軸向的壓力。具體應力分布如圖6所示。

整個結構的最大位移為0.95mm，最大位移出現位置為底架中心處，如圖7所示。這是由結構自重及所受外力造成的，且其遠離支撐部位，故其位移較大。

3 結構優化建議

（1）由于前后支腿受力差距明顯，后支腿梁連接處出現應力集中，為保證前后支腿梁的使用壽命大致相同，同時避免應力集中，建議后支腿梁由斜梁改為雙豎梁（同前支腿梁結構）。

（2）由于支腿內的絲杠設計的過于保守，其受彎矩變形很小，可將其直徑適當減小。

（3）由于許多底架連接短橫梁承重過小，安全系數較高，可由實心梁改為空心梁。

4 結束語

通過對排放檢測艙的有限元分析，得到了其在靜態最大受力工況下應力變化圖和位移變化圖，對排放檢測艙的設計具有指導意義；分析結果顯示結構強度設計安全系數較高，表明排放檢測艙結構設計強度冗余較大，存在結構和參數進一步優化的空間。

[1] 夏均忠.機動車安全技術檢驗[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 葛蘊珊，楊志強，張學敏，等.在用汽油車瞬態工況排放測試方法研究[J].汽車工程，2007，29（3）：212-215.

[3] 曹爭光，楊榮江，王潤.基于COSMOS/Simulation的深溝球軸承的接觸有限元分析[J].現代機械，2010（1）：49-50.

[4] 李慧梅.擴展廂式車廂體結構分析[D].天津：軍事交通學院，2004.

[5] 曲昌榮.汽車車架的輕量化設計[D].成都：西華大學，2006.