1 引言
在某卡車的整車開發(fā)過程中,多臺(tái)車在進(jìn)行45000Km耐久試驗(yàn)時(shí)空氣濾清器支架出現(xiàn)開裂,在對(duì)支架進(jìn)行制造、裝配、工藝等方面的檢查后,認(rèn)為該支架在設(shè)計(jì)方面存在問題。為了保證項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)時(shí)間,縮短改進(jìn)周期,掌握改進(jìn)方向,應(yīng)用Nastran軟件對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析,并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),最后將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。
圖1 支架開裂圖片
2 測(cè)試支架振動(dòng)頻率及振幅
通過分析知道,在靜態(tài)下此支架無斷裂風(fēng)險(xiǎn),初步判斷此次斷裂由于振動(dòng)導(dǎo)致,因此對(duì)此支架進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。
進(jìn)行頻率響應(yīng)分析時(shí),為了更好的還原支架破裂的原因,同時(shí)得到更準(zhǔn)確的CAE分析輸入條件,測(cè)試該支架在試驗(yàn)場(chǎng)的各種壞路狀況下的振動(dòng)頻率及振幅,得到支架安裝點(diǎn)在長(zhǎng)波路、扭曲路、長(zhǎng)搓板路、短搓板路、凸塊路、短波路、石塊路七種路況下的振幅一頻率曲線作為后期CAE分析及臺(tái)架試驗(yàn)的依據(jù)。
測(cè)試結(jié)束后發(fā)現(xiàn)在直搓板路上X向振動(dòng)最大,為0.85G。
圖2 支架安裝點(diǎn)直搓板路振動(dòng)頻譜
3 有限元模型的建立
3.1有限元模型的前處理
在整個(gè)有限元求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。包括幾何建模、定義材料屬性和實(shí)常數(shù)(要根據(jù)單元的幾何特性來設(shè)置,有些單元沒有實(shí)常數(shù))、定義單元類型,網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。
本次有限元分析前處理在HyperMesh中進(jìn)行,因?yàn)镠yperMesh是一個(gè)高性能的有限元前處理軟件,具有強(qiáng)大的幾何清理和網(wǎng)格劃分功能并能有效的模擬各種零件的連接方式,如剛性連接、螺栓連接、彈簧連接等等。
后處理在Nastran中進(jìn)行,Nasran具有很高的軟件可靠性,品質(zhì)優(yōu)秀,得到有限元行業(yè)界的肯定,眾多汽車公司在工業(yè)行業(yè)都用Nasran的計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。
3.2載荷及約束的定義
進(jìn)行頻率響應(yīng)分析時(shí),對(duì)支架安裝點(diǎn)進(jìn)行全約束,同時(shí)在安裝位置施加加速度激勵(lì),方向X\Y\Z三方向,大小參照試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)各種路況下的測(cè)試,取1G加速度。
最終施加完載荷與邊界條件的模型如圖3所示。
圖3 空濾支架有限元模型
3.3提交計(jì)算
將前處理好的有限元模型提交到Nasran軟件進(jìn)行計(jì)算,得到支架在X、Y、Z三個(gè)方向?qū)?yīng)頻率下的最大應(yīng)力云圖。
4 顯示結(jié)果
將已處理好的有限元模型提交到求解器進(jìn)行計(jì)算,并通過Hyperview軟件讀取結(jié)果,由于在X向激勵(lì)下的應(yīng)力遠(yuǎn)大于Y、Z兩個(gè)方向,故只顯示X向激勵(lì)下的分析結(jié)果。
圖4 原始結(jié)構(gòu)X向激勵(lì)下的應(yīng)力云圖
在21HZ時(shí),在前后方向(X向)1G加速度的激勵(lì)下空濾支架斷裂處應(yīng)力達(dá)到253MPa,出現(xiàn)位置與實(shí)際斷裂相吻合。該支架的材料為Q235。查閱相關(guān)資料可以得知該材料的屈服極限為235MPa。而通過分析得到的該支架最大應(yīng)力超過了材料屈服強(qiáng)度,判定存在較大風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到了分析仿真故障再現(xiàn)的目的。
5 兩種改進(jìn)方案的提出
由于支架在汽車上布置空間有限,故根據(jù)CAE分析結(jié)果,提出兩種改進(jìn)方案,如圖5、圖6所示:
圖5 改進(jìn)方案一示意圖
改進(jìn)方案一中,支架做成一個(gè)整體式,支架本體厚度為3.0mm,質(zhì)量為6.2Kg。
圖6 改進(jìn)方案二示意圖
改進(jìn)方案二中,支架直接改為管狀支架,管子厚度為2.0mm,底座厚度為1.5mm,安裝孔部位厚度為2.0mm。支架總成重量為5.5Kg。
運(yùn)用同樣的分析方法,對(duì)改進(jìn)后的兩種方案進(jìn)行計(jì)算,并讀取結(jié)果。
方案一X向加速度激勵(lì)下的分析結(jié)果如圖7所示:
圖7 方案一的應(yīng)力云圖
方案一在28HZ時(shí),最大應(yīng)力達(dá)到191MPa,超過了材料屈服強(qiáng)度的70%,認(rèn)為在該結(jié)構(gòu)還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。
方案二X向加速度激勵(lì)下的分析結(jié)果:
圖8 方案二的應(yīng)力云圖
方案二在31HZ時(shí),最大應(yīng)力為119MPa,小于材料屈服強(qiáng)度的70%,判定認(rèn)為該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求,選用該方案作為最終改進(jìn)方案。
6 臺(tái)架試驗(yàn)
為了驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)構(gòu),對(duì)最終選用的改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照J(rèn)IS標(biāo)準(zhǔn),首先進(jìn)行共振點(diǎn)檢測(cè)試驗(yàn),得到X/Y/Z三個(gè)方向的共振頻率,然后實(shí)施振動(dòng)耐久試驗(yàn)。
表1 臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)頻率及時(shí)間
試驗(yàn)判斷基準(zhǔn):試驗(yàn)后測(cè)試功能必須滿足要求,外觀不可變形及破損。
圖9 試驗(yàn)工裝圖片
通過臺(tái)架試驗(yàn)我們可以知道,最終所選用的方案順利的通過了嚴(yán)格的JIS標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)合分析結(jié)果及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果,最終選定改進(jìn)方案二(支架結(jié)構(gòu)改為管狀結(jié)構(gòu))作為改進(jìn)結(jié)構(gòu),進(jìn)行設(shè)計(jì)變更,將設(shè)變后的支架應(yīng)用于后續(xù)耐久試驗(yàn)車輛上,進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí),再未出現(xiàn)空氣濾清器支架斷裂的情況。
7 結(jié)束語(yǔ)
運(yùn)用先進(jìn)的CAE手段對(duì)空氣濾清器支架進(jìn)行分析,再現(xiàn)了試驗(yàn)故障,依據(jù)分析結(jié)果提出了改進(jìn)方案,對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了再次分析,依據(jù)分析結(jié)果從改進(jìn)方案中選取了最優(yōu)方案,最后將選用的改進(jìn)方案進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),該方案順利通過了嚴(yán)格的JIS臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn),最終將此支架進(jìn)行設(shè)計(jì)變更并運(yùn)用于耐久試驗(yàn),后續(xù)該支架再未出現(xiàn)斷裂故障。運(yùn)用此方法大大縮短了支架改進(jìn)時(shí)間,降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的成本,同時(shí)將振動(dòng)分析與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論與試驗(yàn)指導(dǎo),為同類問題的解決提供了工程經(jīng)驗(yàn)。
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本文標(biāo)題:空氣濾清器支架強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)
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