某卡車防盜報警喇叭支架結構改進分析

鄧磊，段龍揚，余顯忠，蔡志武，靖娟

(1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330052；2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室,江西南昌 330052；3.江西制造職業(yè)技術學院，江西南昌 330095)

某卡車防盜報警喇叭支架結構改進分析

鄧磊1,2，段龍揚1,2，余顯忠1,2，蔡志武1，靖娟3

(1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330052；2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室,江西南昌 330052；3.江西制造職業(yè)技術學院，江西南昌 330095)

針對某卡車防盜報警喇叭支架在耐久試驗過程中出現(xiàn)斷裂問題，運用CAE對該支架進行故障驗證分析，在此基礎上提出改進方案，最后通過臺架試驗和耐久試驗驗證改進結構。表明用有限元方法能夠有效地指導結構改進，對于同類問題的解決具有借鑒意義。

有限元；防盜報警喇叭支架；結構改進；試驗

0 引言

在某卡車的開發(fā)過程中，多臺車在進行45 000 km耐久試驗時防盜報警喇叭支架出現(xiàn)開裂。在對支架進行制造、裝配、工藝等方面的檢查后，認為該支架在設計方面存在問題。為了縮短結構改進時間，掌握改進方向，應用CAE軟件對現(xiàn)有結構進行振動分析，并進行臺架試驗，最后對改進后的結構進行整車耐久試驗驗證。

支架安裝在車架第一橫梁上，厚度為2.0 mm，所選材料為Q235。

1 故障的再現(xiàn)驗證

此支架在進行耐久試驗時斷裂(如圖1所示)，初步認為是試驗過程中振動導致的疲勞斷裂。文中運用Altair的HyperMesh軟件進行前處理，然后運用MSC公司的Nastran軟件對其進行振動頻率響應分析，最后運用Altair的HyperView進行后處理。HyperMesh軟件是一個高性能的有限元分析前處理軟件，借助它可以快速地對幾何模型進行網格劃分、并調節(jié)網格質量，使其達到有限元的標準[1-2]。Nastran具有很高的軟件可靠性，品質優(yōu)秀，得到有限元業(yè)界的肯定，眾多汽車公司在工業(yè)行業(yè)都用Nastran的計算結果作為標準[3]。

圖1 支架開裂圖片

運用HyperMesh和Nastran相結合進行有限元分析，得到原支架結構在X、Y、Z3個方向對應頻率下的最大應力云圖。

1.1 建立有限元模型

運用殼單元來模擬支架，喇叭以質點的方式將質量加到對應位置，最后得到2 182個單元。

1.2 載荷及邊界條件的確定

約束與車架相連的部位。同時在約束部位施加加速度激勵，方向為X、Y、Z3個方向，大小取1g加速度。

最終施加完載荷與邊界條件的模型如圖2所示。防盜報警喇叭以質點形式模擬，在其質心處生成一個Mass單元，質量為0.4 kg。

圖2 支架有限元模型

1.3 材料屬性的定義

支架所用材料為Q235，彈性模量為206 GPa，材料密度為7.85×10-9t/mm3，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa。

1.4 分析結果

將建好的模型提交到求解器進行計算，并讀取結果，由于在X向激勵下的應力遠大于Y、Z兩個方向，故只顯示X向激勵下的分析結果。

圖3 故障件應力云圖

在31 Hz時，在前后方向(X向)1g加速度的激勵下支架斷裂處應力達到244 MPa，超過了材料屈服強度(235 MPa)，且出現(xiàn)位置與實際斷裂相吻合。從分析結果認為該支架存在較大風險，達到了仿真故障再現(xiàn)的目的。

2 兩種改進方案的提出

在對原始結構進行CAE分析的基礎上，提出兩種改進方案：方案一，在支架結構邊緣增加4 mm寬的翻邊，如圖4所示；方案二，將支架厚度由之前的2.0 mm變?yōu)?.5 mm。

圖4 改進方案一示意圖

運用同樣的分析方法，對改進后的兩種方案進行計算，并讀取結果。

方案一中X向加速度激勵下的分析結果如圖5所示。

圖5 方案一的應力云圖

方案一中，在35 Hz時，最大應力達到175 MPa，超過了材料屈服強度的70%，認為該結構還存在一定的風險。

方案二中，X向加速度激勵下的分析結果如圖6所示。

圖6 方案二的分析結果

方案二中，在40 Hz時，最大應力為157 MPa，小于材料屈服強度的70%，認為該結構滿足設計要求。

3 臺架試驗

為了驗證原始結構及兩種改進結構的可靠性，對這3種結構同時進行臺架試驗。

試驗設備：振動試驗機。

試驗方法：

步驟1，頻率15～45 Hz，加速度3.5g。時間：上下4 h，左右2 h，前后2 h。

步驟2：頻率為定頻33 Hz，加速度3.5g，時間：上下8 h，左右4 h，前后4 h。

試驗判斷基準：試驗后測試功能必須滿足要求，外觀不可變形及破損。臺架試驗工裝示意圖如圖7所示。

臺架試驗結果如表1所示。

圖7 臺架試驗工裝示意圖

試驗狀態(tài)日期樣品編號及狀態(tài)1號(厚2mm)2號(厚2mm帶加強筋)3號(厚2mm帶加強筋)4號(厚2mm帶加強筋)5號(厚2mm)6號(厚2.5mm)7號(厚2.5mm)8號(厚2.5mm)9號(厚2mm)步驟1:上下振動4h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步驟1:左右振動2h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步驟1:前后振動2h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步驟2:上下振動8h后06-14NGNGOKOKOKOKOKOKOK步驟2:上下振動4h后06-14OKOKNGOKOKOKOK步驟2:上下振動4h后06-14NGOKOKOKOKNG

通過臺架試驗可以知道：3種方案中，所有故障件(支架厚度2.0 mm)都未能通過試驗，方案一(2.0 mm厚度帶加強筋)的3個支架中只有1個通過了試驗，方案二(支架厚度2.5 mm)的所有的支架都通過了試驗，這與之前分析結果的判定一致，從另一個方面證明了分析的正確性。

結合分析結果及臺架試驗結果，最終選定方案二(支架厚度直接變更為2.5 mm)作為改進結構，進行設計變更。將設變后的支架應用于后續(xù)耐久試驗車輛上，進行耐久試驗時，再未出現(xiàn)報警喇叭支架斷裂的情況。

4 結束語

對報警喇叭支架進行了有限元分析，通過分析再現(xiàn)了故障，依據(jù)分析結果提出了改進意見；通過臺架試驗來驗證各種改進方案；最后結合分析與試驗結果得到最終改進方案，將最終的改進方案運用于耐久試驗，再未出現(xiàn)斷裂故障。運用此方法大大縮短了支架改進時間，降低了產品設計與驗證的成本，達到了產品分析與試驗相結合，為產品設計提供了理論指導，為同類問題的解決提供了工程經驗。

【1】張勝蘭,鄭冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的結構優(yōu)化設計技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

【2】李楚琳，張勝蘭，馮櫻,等.HyperWorks分析應用實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

【3】馬愛軍，周傳月，王旭,等.Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程[M].北京:清華大學出版社，2005.

Structure Improvement of the Tractor’s Anti-theft Alarm Horn Bracket

DENG Lei1,2，DUAN Longyang1,2， YU Xianzhong1,2，CAI Zhiwu1，JING Juan3

(1.Jiangling Motors Co., Ltd., Nanchang Jiangxi 330052,China;2.Jiangxi Key Laboratory of Vehicle NVH, Nanchang Jiangxi 330052,China;3.Jiangxi Technical College of Manufacturing, Nanchang Jiangxi 330095,China)

A truck’s anti-theft alarm horn bracket occurred fracture during road duration test. The bracket was analyzed by using the finite element software Nastran. According the analysis result, two kinds of new design scheme were put forward.The two kinds of new design scheme were validated by using the bench test and duration test.It is shown that finite element method is an effective method in analyzing and improving the structure design. It provides reference for solving related problems.

Finite element; Anti-theft alarm horn bracket; Structure improvement; Test

2016-12-20

鄧磊(1984—)，男，碩士研究生，研究方向為汽車CAE分析。E-mail:dengleileizhanc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.007

U463.65+3

A

1674-1986(2017)04-029-03