基于HyperWorks空氣濾清器支架的結構優化及改進設計

路小金，張博峰，何文軍，鄧龍軍，李晗，王東斌

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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基于HyperWorks空氣濾清器支架的結構優化及改進設計

路小金，張博峰，何文軍，鄧龍軍，李晗，王東斌

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：文章針對某6×4牽引車空氣濾清器支架斷裂原因進行分析。排除支架材料及焊接加工導致失效問題，最終確定該支架的斷裂原因主要是由于結構設計不合理導致斷裂。在原結構基礎上，確保安裝邊界不變，運用catia三維建模和HyperWorks軟件分別完成三種方案的三維建模和靜強度分析。通過分析結果比對，改進方案相比原方案，安全系數提高了67%。最后經過7000km的道路可靠性試驗，改進后的空氣濾清器支架滿足使用要求。

關鍵詞：空氣濾清器支架；Hyperworks；斷裂；試驗驗證

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.014

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-39-03

引言

在某6×4牽引車可靠性道路試驗進行到3204km 時，空氣濾清器支架發生斷裂失效。該車型空氣濾清器支架主要由連接板、鋼管、墊板、角支架、加強筋等零件組成，安裝方式如圖1所示。通過失效模式分析，得出該問題主要由于結構設計不合理所導致。

由于道路試驗周期長、成本高，有限元分析逐漸成為整車零部件設計前期的關鍵技術。為此，本文運用HyperWorks、CATIA軟件在原結構基礎上進行結構優化及改進設計，滿足了車輛的使用要求，快速關閉了失效的試驗問題。

1、失效原因分析

失效支架如圖2所示，斷裂位置在支架下安裝孔附近，從宏觀斷口可知，斷口紋理清晰，為局疲勞失效，且斷口上有多個疲勞源，再通過化學成分分析及金相組織檢驗分析，結果符合標準。

圖1

通過對支架設計結構的分析，該支架下排安裝孔處受力應力集中，結構設計不合理，后續重點將對支架的結構進行優化設計，以解決該支架的失效問題。

圖2

2、改進方案及靜強度分析

結構優化原則是在原支架結構基礎上進行結構改進，支架安裝螺栓數量、材料及安裝尺寸保持不變，且保持與周邊件合理間隙。后續的設計方案依此為設計基準。

2.1 空氣濾清器支架材料屬性

空氣濾清器支架各組成零件的材料有材料力學性能見表1。

表1 材料力學性能

2.2 空氣濾清器支架使用工況及載荷

根據該車型的使用工況，在車輛轉彎、制動和沖擊三種典型工況下對空氣濾清器支架的改進前方案、改進后的3 種方案進行分析，表2為作用在支架各工況下的載荷，表中所列各載荷大小均為模擬計算值，后續還需可靠性試驗的進一步驗證。

表2 空氣濾清器支架工況及載荷值

2.3 載荷約束條件

空氣濾清器支架各部分零件用PRAR連接模擬焊接工藝。該支架共添加4處安裝孔用于固定約束，添加剛性單元REB3來定義載荷作用位置，REB3 單元位于空氣濾清器質量中心處，如圖3所示。

圖3

2.4 優化方案的確定

方案1，在原方案基礎上將加強筋的尺寸加大一倍，改善安裝孔處應力集中的問題。

該方案改進后支架重量增加0.2kg，利用Hyperworks 軟件對空氣濾清器支架進行網格劃分。對各零件抽取中心面處理，這里采用四邊形單元劃分網格，尺寸為5mm（以下方案也是此進行網格劃分）。有限元模型節點數6179，面單元數6166。

利用Hyperworks軟件的Radioss進行有限元靜強度分析，經分析轉彎、制動、沖擊三種工況，其中在沖擊工況時支架的應力最大，原方案最大為250.1Mpa，安全系數為0.98，方案1 的最大應力值為183.5Mpa，安全系數1.34，方案1 相比原方案有所改善。

如圖4、5分別為原方案和方案1的三維模型和分析結果。

圖4 原方案轉彎、制動、沖擊工況的應力云圖

圖5 方案1轉彎、制動、沖擊工況的應力云圖

方案2，在進行方案設計時，在斷裂部位應力較大處增加加強結構，改善斷裂部位應力分布。在鋼管端面中間位置增加與之方向垂直的加強筋。

該方案改進后單個支架重量約增加0.2kg。利用Hyper works軟件對空氣濾清器支架進行網格劃分，劃后有限元模型節點數6124，實體單元數6102。

利用Hyperworks軟件的Radioss進行有限元靜強度分析，經分析轉彎、制動、加速三種工況，其中在沖擊工況時支架的應力最大，該方案的最大應力值為268.4Mpa，安全系數僅為0.91，相比原方案，并未有所改善。

如圖6所示為方案2 的三維模型和分析結果。

圖6 方案2轉彎、制動、沖擊工況的應力云圖

方案3，是在方案1的基礎上進行優化設計，將原加強筋尺寸增大一倍。同時，在鋼管另一側增加一道結構類似的加強筋，使連接板受力更為均勻，避免支架應力集中，降低最大應力。

該方案改進后單個支架重量增加0.4kg，同時利用Hyperworks軟件對導向臂支架進行網格劃分，劃分后有限元模型節點數6534，實體單元數6514。

利用Hyperworks 軟件的Radioss進行有限元靜強度分析，經分析轉彎、制動、加速三種工況，其中在轉彎工況時導向臂支架的應力最大，該方案的最大應力值為149.6Mpa，安全系數為1.64，相比原方案應力明顯降低。

如圖7所示為方案3的三維模型和分析結果。

各方案應力對比見表3。

表3 原方案與改進方案的對比分析結果

由以上的分析結果可以看出，方案2最大應力大于原方案，方案2 不可取；方案1 相比原方案，最大應力和安全系數略有提高，但是連接板仍存在應力集中的問題；方案3與原方案相比，連接板受力明顯改善，最大應力降低至149.6Mpa。

因此選擇方案3為空氣濾清器支架的最終改進方案。

3、試驗驗證

按照方案3 的改進方案，更換原車故障件并進行了第二次7000km道路可靠性試驗。經過試驗驗證，改進后的空氣濾清器支架未發生裂紋、斷裂等故障，與疲勞分析結果一致，完全滿足產品改進的要求。圖8為支架三維裝配驗證和道路試驗裝車情況。

圖8

4、結論

本文對空氣濾清器支架斷裂原因進行了分析，排除支架的材料及工藝加工問題，最終確定支架的斷裂原因主要是由于結構設計不合理導致斷裂。在原結構的基礎上，保持原安裝邊界及結構基本不變的原則，運用CATIA、HyperWorks軟件，分別完成三種方案的三維建模和靜強度分析，通過分析結果比對，方案3相比原方案，安全系數提高了67%。

最后經過7000km 的道路可靠性試驗，改進后的空氣濾清器支架（方案3）滿足設計使用要求。

目前采用該支架的車型已批量體現，市場反饋效果良好，經濟效益顯著。

參考文獻

[1] 張勝蘭,鄭東黎,郝琪,李楚琳.基于HyperWorks 的結構優化設計技術[M].機械工業出版社,2007.

[2] 李楚琳.HyperWorks分析應用實例.機械工業出版社,2008.

[3] 楊銀輝,上官望義.基于HyperWorks 導向臂支架的結構優化及改進設計[J].汽車實用技術,2014(10)76～78.

Structure optimization and improvement design ofaircleaner bracket based on Hyperworks

Lu Xiaojin, Zhang Bofeng, He Wenjun, Deng Longjun, Li Han, Wang Dongbin
（Shaaxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Abstract:The fracture reasons of a 6×4 tractor's air cleaner bracket were analyzed in this paper.Disregardingthematerials and manufacture processing defects, the fracture of bracket is mainly due to unreasonable design .Basis on the original structure and guarantee the installation boundary unchanged, 3D modeling and static strength analysis of the three schemes were completed using CATIA and HyperWorks software. Comparing the originalscheme, the safety factor increased by 67%.According to the7000km road reliability test, the improvements were proved meet the design requirements finally.

Keywords:Aircleaner bracket; Hyperworks; Fracture; Test verificatio

作者簡介：路小金，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

中圖分類號：U472.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-39-03