發動機支架的疲勞試驗及可靠性分析

景晶

(國家機動車產品質量監督檢驗中心(上海)，上海 201805)

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發動機支架的疲勞試驗及可靠性分析

景晶

(國家機動車產品質量監督檢驗中心(上海)，上海 201805)

由于汽車產品設計愈加復雜，同時開發時間越來越短，因此在汽車產品設計中可靠性更加突出。以發動機支架的疲勞試驗為例，簡單介紹機械可靠性試驗。通過符合實車狀態的臺架試驗，結合有限元分析對試驗數據進行可靠性分析，為產品的優化改進提供依據。

可靠性；疲勞試驗；有限元分析；威布爾分布

0　引言

如今，當說到一個產品的功能時，可靠性這個詞是經常被提到的。可靠性是指產品在一定的工作環境下、在一定的時間內不出現失效的概率。概率只能用數字來表達，這樣可靠性就涉及了產品的失效行為，也是評價產品的重要指標。

目前，在汽車零部件的可靠性分析中，主要以工程試驗為主，其目的在于暴露產品在設計和生產過程中的缺陷，及時采取糾正措施加以排除。對于企業來說，可靠性分析實施得越早，利潤成效就越顯著?？煽啃栽囼灴梢苑譃殡娮涌煽啃栽囼灪蜋C械可靠性試驗。相對于比較成熟的電子可靠性試驗，機械可靠性試驗還存在一些難點：首先，很難獲得較大容量的樣本，并且費資、費力，試驗周期長；其次，影響機械失效的原因很多，不僅與應力因素有關，還取決于環境因素；最后，機械可靠性理論難度大，機械產品的零部件大多是耗損性失效為主。

文中借助發動機支架的疲勞試驗，對機械可靠性試驗做了簡單的介紹。通過臺架試驗，結合有限元分析對試驗數據進行可靠性分析。

1　發動機支架疲勞試驗的方案設計

發動機支架的作用：(1)固定發動機；(2)減少發動機的震動傳遞到車架上。它對加工精度的要求很高，這樣才能保證發動機的正常運行，從而提高汽車的綜合性能。

為了真實反映車輛行駛時，發動機支架的受力狀況，參考發動機支架的實車裝配情況，通過計算機模擬可以得到發動機支架Z向的受力及邊界約束示意圖，如圖1所示。

在支架與發動機連接的螺栓位置施加±5 000N的載荷，正弦波形，頻率10Hz，方向沿Z軸。約束方法是將發動機支架通過螺栓固定在剛性的平板上，安裝扭矩為60N·m，保持與實車狀態一致。為了研究需要，該疲勞試驗將持續至樣件出現可見的裂紋為止(判定樣件失效的依據)。

2　有限元分析

有限元分析實質上是把具有無限自由度的連續系統，近似等效為只有有限自由度的離散系統，使問題轉化為適合于數值求解的數學問題。文中選用了UGNX軟件對發動機支架進行有限元分析。

2.1模型的建立

第1步，利用Modeling模塊建立發動機支架的三維模型；第2步，對三維模型進行網格劃分，類型是十節點四面體網格，網格單元大小為4.0mm，總節點數為59 678，總單元數為36 682；第3步，設定材料參數，文中發動機支架的材料為鋁合金，其材料參數設定如下：密度為2.66×103kg/m3，彈性模量為7.2×104MPa，泊松比為0.33，材料類型為各向同性；第4步，施加載荷與約束，在支架與發動機連接的螺栓位置施加載荷，載荷大小為±5 000N，方向沿Z軸；在支架與車身連接的螺栓位置施加約束，使其在各個方向的位移均為0，見圖2。

2.2計算求解

經過仿真計算，發動機支架的應力云圖見圖3，從中能獲取應力、應變數據，并直觀地發現零件上高應力的集中區域。

在局部放大的云圖(圖4)中，可以清晰地看出該支架的高應力區集中分布在與車身連接的螺栓孔附近，最大的VonMises應力值為228.9MPa，最大應變為2.819×10-3。

通過以上的計算和分析，可以基本掌握該發動機支架受力時的結構強度，確定了疲勞試驗中最可能出現裂紋的區域。

3　疲勞試驗可靠性分析

3.1疲勞壽命數據

研究人員每隔1h，對疲勞試驗中的發動機支架進行檢查，一旦發現出現裂紋，即終止試驗并記錄下出現裂紋時的循環次數，結果見表1。

裂紋照片見圖5，可以看到裂紋位置與有限元分析的結果基本一致。

3.2試驗數據的威布爾分布

威布爾分布是在機械領域中應用最廣泛的壽命分布，它也是可靠性分析的理論基礎。

此研究中，首先要驗證發動機支架疲勞壽命數據是否服從含有未知參數的威布爾分布，采用Van-Montfort提出的統計量：

(1)

其次，假設發動機支架疲勞壽命數據服從威布爾分布，即：

(2)

式中：b是形狀參數；T是特征壽命。對于子樣容量為n，其中包含r(r≤n)個壽命數據x1≤x2…≤xr的樣本，可以采用極大似然法估計威布爾分布中的參數：

(3)

按照式(1)和式(3)計算，可得到發動機支架疲勞壽命數據對應的中位秩，見表2。

表2　發動機支架疲勞壽命數據對應的中位秩

表3中，假設α=0.10，可以推斷發動機支架的疲勞壽命服從威布爾分布，并得到相應形狀參數b和特征壽命T。發動機支架疲勞壽命的威布爾分布曲線見圖6。

表3　發動機支架疲勞壽命數據統計分析結果

壽命標準差σ為：

4　結論

涉及機械零部件失效行為的文獻資料并不是很多，但是理解零件的失效行為對做出在相似條件下的可靠性預測是必要的。

結合臺架試驗數據及有限元分析的結果(其優點在于縮短了疲勞試驗周期，提高了研究效率)，通過計算威布爾分布，對發動機支架的可靠性進行了分析，從而闡述了可靠性試驗在汽車零部件試驗中的應用。通過有限元分析，可以找出應力集中點，確定樣件在疲勞試驗過程中的失效區域；通過臺架試驗，可以得到疲勞壽命數據；依據疲勞壽命數據，通過統計分析(威布爾分布或者其他分布的計算)，可以預測樣件的壽命或可靠性，這就為產品的優化改進提供了判斷依據。

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【5】陳棟華,靳曉雄,周鋐,等.轎車底盤零部件耐久性虛擬試驗方法研究[J].汽車工程,2008,29(11):998-1001.

FatigueTestandReliabilityAnalysisforEngineBracket

JINGJing

(NationalCenterofSupervision&InspectiononMotorVehicleProductsQuality(Shanghai),Shanghai201805,China)

Sincethedesignofautoproductsismoreandmorecomplicated,whiledevelopmentperiodbecomeshorter,reliabilitywillbemoreoutstandinginthedesignofautoproducts.Takingthefatiguetestofanenginebracketasanexample,themechanicalreliabilitytestwasbrieflyintroduced.Throughbenchtestinlinewithrealvehiclestate,withFEA,reliabilityanalysistothetestdatawasmade.Itprovidesbasisfortheoptimizationoftheproduct.

Reliability;Fatiguetest;FEA;Weibulldistribution

2015-03-24

景晶(1983—)，男，工程師,主要研究方向為汽車底盤零部件耐久試驗。E-mail:jingj@smvic.com.cn。