某重型卡車空濾器過(guò)渡支架斷裂分析與優(yōu)化

賀洋洋，丁介然，王瓊，屈闖，徐信萬(wàn)，李慧

（陜西萬(wàn)方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

重型卡車在行駛過(guò)程中，由于地面不平整、輪胎跳動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部組件運(yùn)行的內(nèi)外部因素的出現(xiàn)，往往需要承受不同程度、不同類型的激勵(lì)[1]。即使在投入市場(chǎng)前已在試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)整車進(jìn)行了一系列的強(qiáng)化路面測(cè)試驗(yàn)證，但仍會(huì)有一些行駛于極其崎嶇道路的車輛發(fā)生內(nèi)部附件斷裂的現(xiàn)象。

1 三維模型的建立

空濾器過(guò)渡支架作為車身附件的重要組件，具有連接車架與空濾器的橋梁作用。現(xiàn)就過(guò)渡支架裝車行駛過(guò)程中出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象進(jìn)行原因分析與優(yōu)化改進(jìn)，過(guò)渡支架三維模型如圖1所示。圖（a）為原結(jié)構(gòu)，紅色線圈為過(guò)渡支架的實(shí)際斷裂區(qū)域，圖（b）為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，基于原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩方面的優(yōu)化改進(jìn)：一是提高斷裂區(qū)域附近的截面，二是提高模型另一側(cè)的截面同時(shí)增加一條斜筋。

圖1 三維模型

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

首先基于三維軟件 CATIA的智能化測(cè)繪功能輸出空濾器結(jié)構(gòu)的質(zhì)心坐標(biāo)，其次將過(guò)渡支架及輔助支架另存為.stp格式文件導(dǎo)入到有限元軟件HyperMesh中，其中輔助支架為薄壁類部件，抽取中面后用Shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]，過(guò)渡支架為鑄造件，用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分并轉(zhuǎn)二階。空濾器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，用集中質(zhì)量點(diǎn)代替空濾器結(jié)構(gòu)。

2.2 模型材料及分析工況

2.2.1 材料選用

空濾器過(guò)渡支架采用的材料為 RZG310-570，其密度為7860 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為310 MPa，抗拉強(qiáng)度為570 MPa。

2.2.2 邊界條件設(shè)置

約束與車架連接孔的6個(gè)自由度，在空濾器質(zhì)心處添加15 kg的質(zhì)量點(diǎn)，最后對(duì)創(chuàng)建好的有限元模型施加Z向-10 g的重力加速度進(jìn)行有限元分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.3 原結(jié)構(gòu)有限元分析

通過(guò) OptiStruct求解器進(jìn)行求解得到過(guò)渡支架原結(jié)構(gòu)的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

由位移云圖可知，過(guò)渡支架原結(jié)構(gòu)最大位移為13.10 mm，位移較大；由應(yīng)力云圖可知，過(guò)渡支架最大應(yīng)力為346.28 MPa，最大應(yīng)力集中位置與實(shí)際斷裂區(qū)域完全吻合，且最小安全系數(shù)為0.9＜1。

2.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)有限元分析

在不改變材料參數(shù)及邊界條件的前提下，對(duì)優(yōu)化后的過(guò)渡支架進(jìn)行有限元分析，得到的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖 4所示[3-4]。

圖4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

由位移云圖可知，過(guò)渡支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大位移為7.20 mm；由應(yīng)力云圖可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為208.03 MPa，最大應(yīng)力集中位置成功避開(kāi)了實(shí)際斷裂區(qū)域，且最小安全系數(shù)為1.49＞1。

通過(guò)對(duì)比過(guò)渡支架原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大位移相比原結(jié)構(gòu)減小5.90 mm，剛度性能提升45%，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比原結(jié)構(gòu)減小138.25 MPa，最小安全系數(shù)相比原結(jié)構(gòu)提升66%。優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，滿足使用要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)合理。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)有限元分析軟件HyperMesh建立了空濾器過(guò)渡支架的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析驗(yàn)證，成功查找到了其斷裂的真實(shí)原因。根據(jù)分析結(jié)果在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證表明了此優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。

通過(guò)對(duì)空濾器過(guò)渡支架的成功優(yōu)化，為類似支架優(yōu)化改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也提供了一定的理論依據(jù)。