基于ANSYS的汽車輪包頻率響應分析

吳昌慶，劉聰聰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230001）

基于ANSYS的汽車輪包頻率響應分析

吳昌慶，劉聰聰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230001）

針對某皮卡在可靠性試驗過程中發現燃油濾清器固定支架和車身鈑金輪包連接處出現鈑金開裂問題，進行結構、裝配關系等原因分析。對輪包及加強板進行頻率響應分析，對結構不合理之處進行改進優化，避開發動機共振頻率，并對優化后輪包進行試驗驗證。結果表明，改進后的輪包，滿足整車可靠性要求，并為今后的產品開發提供有效借鑒。

輪包；加強板；頻響分析；優化設計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.026

CLC NO.:U467.4 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-74-03

引言

柴油濾清器是汽車上重要配置的零部件之一，對汽車的供油系統起著過濾雜質、水分和保護發動機噴油嘴的重要作用[1]。燃油濾清器一般結構較大且工作時充滿油液，質量較大，對于布置結構必須安全可靠。

1、初始結構及存在問題

根據燃油濾清器布置位置的不用，通常燃油濾清器分為車架上布置和發艙內布置兩種情況，在該皮卡車型中，燃油濾清器布置與發動機艙左側輪包上表面，具體布置方式見圖1所示。

圖1 濾清器固定方式示意圖

通過測試可知此支架高度180mm,濾清器的中心點到支架固定點之間距離120mm，屬于長懸臂偏心式支架結構。通過對整體結構分析發現，濾清器支架通過三顆螺釘固定在輪包上，輪包背面有一加強板用于加強輪包結構。濾清器滿油質量1.5KG，支架厚度2.5mm，輪包厚度0.8mm，輪包加強版厚度1mm。可靠性路試不到2000公里處，輪包在和濾清器支架的貼合處出現斷裂現象，見圖2。本文應用頻率響應分析方法，對固定濾清器的輪包和輪包加強板進行仿真分析，找出其開裂失效的原因，并給出改進意見[2]。

圖2 輪包開裂處

2、有限元模型建立

2.1 有限元網格劃分

濾清器固定支架及輪包加強板如圖所示。采用Hypermesh前處理軟件對對幾何模型進行劃分[3]。由于主要考察輪包及輪包加強板的受力情況，故分析僅采用部分輪包模型進行計算。網格大小為2mm，單元類型為S4和S3，采用大型通用有限元軟件ANSYS進行數值計算。

其中輪包和加強板的材料性能見表1：

表1 輪包和加強板材料參數

2.2 邊界條件

為考察輪包和加強板的頻率響應情況，濾清器是主要的施力點，故把施力點放在濾清器的質心位置，約束條件模擬整車車身全約束，見下圖3所示。

圖3 模擬分析示意圖

3、數值分析結果

在試驗場的耐久性試驗中，輪包會受到x,y和z向的共同激勵而發生響應。由于濾清器支架布置在輪包上，輪包布置在發艙鈑金上，此處主要激勵源應為發動機振動引起。根據此款發動機的怠速轉速轉速（750±100）r/min分析，其相應頻率范圍為（22-28）Hz。為了考察輪包在受到各向頻率激勵時的響應，對輪包在x,y和z向施加1G加速度進行頻率響應分析，考察其在共振點處最大應力值，如表2 所示。

表2 輪包的頻率響應結果

根據輪包在x，y和z的頻響分析的最大應力和所在頻率的結果，判斷輪包處斷裂主要由低頻共振引起應力突變，最大應力達到281Mpa，遠遠超出材料屈服極限165Mpa導致，輪包頻率響應如圖4所示。

圖4 輪包頻率響應結果

為保證整車的安全因數，必須分析此處主要激勵源的頻率。由圖4可以看出輪包的最大應力點發生位置為22Hz及31Hz頻率下，和發動機怠速頻率非常接近，因此初步判斷輪包斷裂是由此處和發動機存在共振引起，需要改變輪包處結構的模態頻率，避開發動機共振頻率[4]。

4、改進方案并計算

為避開共振頻率，需改進輪包的剛度。由于輪包屬于大型沖壓件模具，費用較高，因此在設計中盡量不去修改，故對加強板結構進行修改，以提高輪包處的剛度[5]。由于輪包的開裂發生在加強板和輪包的接觸處，此處應力最大，需要對此處進行優化設計；另外，加強板的邊緣焊接位置位于輪包的變截面處，此處易產生應力集中，因此焊接位置需要優化，具體優化方案如圖5所示：

（1）增加加強板厚度，由原1mm調整為1.5mm；

（2）優化加強板結構，增大加強板和輪包的接觸面積，同時增加焊點數量；

圖5 改進方案

對改進方案進行x，y和z的頻響分析，其中以發動機怠速頻率22hz和28hz頻率的計算結果如圖6所示：

圖6

從以上應力云圖可以看出改進方案在發動機怠速頻率22Hz和28Hz頻率下，計算結果如下表3所示。

表3 改進方案輪包的頻率響應結果

改進方案在共振區域內最大應力為12.1Mpa，遠小于材料的屈服極限，因此判斷改進后滿足可靠性路試要求。改進后頻率響應如圖7所示：

圖7 改進后輪包頻率響應結果

5、結束語

根據改進方案進行設計變更，制造樣件并在試驗樣車上進行驗證，改進方案輪包及加強板未出現斷裂失效，順利通過試驗場三萬公里可靠性路試。

車輛零部件設計當中，必須考慮發動機怠速頻率對周邊件的影響，避免產生共振。本文通過頻響分析技術，有效分析輪包出現的振動斷裂原因并提出改進方案，并對改進方案進行數值計算，從而選擇最優的改進方案進行驗證。

[1] 潘江如,魯亞云.高凝點柴油供油系統濾清器溫度場研究[J]廣西大學學報,2008,33(4):383-384.

[2] 熊偉,余顯忠等.基于MSC Nastran的后保險桿頻率響應分析[J]計算機輔助工程,2013,22(1):88-89.

[3] 李楚琳,張勝蘭等.HyperWorks分析應用實例[M]北京:機械工業出版社,2007.

[4] 何若天.汽油機高速異響噪聲和低頻振動[J]汽車技術,1991, 7:33-36.

[5] 李紅建，邱少波等.汽車車身復雜鈑金件的拓撲優化設計[J]汽車工程,2003,25(3):304-305.

Frequencyresponse analysis of wheel package based on ANSYS

Wu Changqing, Liu Congcong
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230001 )

During the process of reliability test of a pick-up vehicle,found that the joint of the fuel filter fixed bracket and body sheet metal wheel package were cracked.The reasons were analysis by the structure and assembly relation etc.The frequency response analysis was carried out on the wheel package and reinforcing plate, to improve the unreasonable structure of optimization, avoid engine resonance frequency, and test the optimization of the wheel package .Results show that the improved package, meeting the reliability requirements, and provide effective reference for future product development.

wheel package; reinforcing plate; frequency response analysis; the optimization design

U467.4

B

1671-7988(2016)01-74-03

吳昌慶，就職于江淮汽車股份有限公司。底盤設計工程師，主要研究方向為發動機動力匹配。