汽車工況法排放檢測艙的有限元分析

夏均忠，王 萌，王彥鋒，李樹珉

（1.軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161；2.解放軍96162部隊(duì)，江西 贛州 341000）

0 引 言

環(huán)境保護(hù)的觀念已深入人心，汽車排放控制要求日益提高。相比汽車雙怠速檢測法，工況法排放檢測是在汽車加載的情況下測試其排氣污染物，它較真實(shí)地反映了汽車行駛狀態(tài)下的實(shí)際排放狀況[1-2]。汽車工況法排放檢測主要應(yīng)用在汽車固定檢測站內(nèi)，國內(nèi)尚無相關(guān)移動(dòng)檢測設(shè)備，該文將汽車工況法排放檢測設(shè)備與方艙設(shè)計(jì)相結(jié)合，研制了汽車工況法排放檢測艙用于移動(dòng)檢測。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅靠經(jīng)典力學(xué)分析難以完成其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此對其進(jìn)行了有限元分析。

有限元分析軟件采用COSMOS/Simulation，它為設(shè)計(jì)工程師在SolidWorks的環(huán)境下提供了有力的結(jié)構(gòu)分析手段。借助其強(qiáng)大的功能，設(shè)計(jì)工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析與驗(yàn)證，并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息，縮短設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及降低設(shè)計(jì)成本等[3-4]。

1 排放檢測艙的結(jié)構(gòu)組成

排放檢測艙主要由控制間、安裝有檢測平臺及引板等的設(shè)備間、附屬間3部分組成，如圖1所示。

檢測平臺上安裝底盤測功機(jī)（包括測功器、慣性飛輪、舉升機(jī)構(gòu)等）、引橋和安全防護(hù)裝置等，組成排放檢測艙中部的設(shè)備間；廢氣分析儀、不透光煙度計(jì)和檢測控制系統(tǒng)等安裝在檢測艙前部的控制間內(nèi)；動(dòng)力電配電箱、空氣壓縮機(jī)等安裝在檢測艙后部的附屬間內(nèi)。到達(dá)檢測地點(diǎn)后，安裝在檢測艙四角的電動(dòng)支腿伸展到地面，撐起檢測艙，運(yùn)載車前行，檢測艙落下平放到地面。檢測平臺的引板在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下展開，組成一個(gè)移動(dòng)式汽車工況法排放檢測站。其平面展開狀態(tài)如圖2所示。受檢車輛在底盤測功機(jī)上按標(biāo)準(zhǔn)要求工況運(yùn)行，然后通過廢氣分析儀或不透光煙度計(jì)測量汽車的排氣污染物。

圖1 汽車工況法排放檢測艙

2 有限元分析

為檢查排放檢測艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，對其進(jìn)行有限元分析，分析過程如下。

2.1 模型建立

對排放檢測艙進(jìn)行有限元分析，其力學(xué)模型的正確與否直接影響到分析結(jié)果。基于SoildWorks 2010建立的排放檢測艙的實(shí)體模型如圖3所示。按以下原則進(jìn)行模型的簡化：

（1）如果構(gòu)件和結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)對問題的求解影響較小，可以將其忽略。

（2）由于任何構(gòu)件或零部件都是三維的，當(dāng)其某1個(gè)方向或2個(gè)方向尺寸遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸時(shí)，可以簡化為桿或板[5]。

2.2 網(wǎng)格劃分

基于COMOS/Simulation的分析模塊，采用混合網(wǎng)格及局部網(wǎng)格加密技術(shù)對承重部件底座框架和4個(gè)支腿進(jìn)行單元網(wǎng)格加密，其他部分采用適當(dāng)稀疏的網(wǎng)格劃分，考慮到艙體采用復(fù)合材料制成，采用板殼單元?jiǎng)澐帧Ｅ欧艡z測艙有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2.3 艙體材料

排放檢測艙的梁和支腿采用的是Q235鋼材；頂面及側(cè)壁采用復(fù)合夾層材料，上下層各厚1.5mm均采用鋁合金材料，中間夾層采用環(huán)氧樹脂填充，厚度為45mm。所用材料的屬性見表1。

表1 材料的力學(xué)性能指標(biāo)

圖2 排放檢測艙平面展開示意圖

圖3 排放檢測艙的有限元模型

圖4 排放檢測艙有限元模型的網(wǎng)格劃分圖

圖5 排放檢測艙的邊界條件

2.4 邊界條件

基于最大受力工況施加力和位移約束。4個(gè)支腿底部固定，考慮了結(jié)構(gòu)自重和電機(jī)、軸承、滾筒等對底架的壓力。具體施加的邊界條件如圖5所示。

圖6 排放檢測艙的靜應(yīng)力圖

圖7 排放檢測艙靜應(yīng)力條件下的位移圖

2.5 結(jié)果分析

從應(yīng)力云圖結(jié)果可知，最大Von Mises應(yīng)力只有23.4MPa，相對于鋁合金的屈服極限225MPa而言具有9.62的安全系數(shù)。其中底架與4個(gè)支腿上的應(yīng)力較大，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在后支腿與底架的連接處，其主要原因?yàn)橹亓褪┘油廨d產(chǎn)生的剪力，而4個(gè)支腿主要承受軸向的壓力。具體應(yīng)力分布如圖6所示。

整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大位移為0.95mm，最大位移出現(xiàn)位置為底架中心處，如圖7所示。這是由結(jié)構(gòu)自重及所受外力造成的，且其遠(yuǎn)離支撐部位，故其位移較大。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

（1）由于前后支腿受力差距明顯，后支腿梁連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，為保證前后支腿梁的使用壽命大致相同，同時(shí)避免應(yīng)力集中，建議后支腿梁由斜梁改為雙豎梁（同前支腿梁結(jié)構(gòu)）。

（2）由于支腿內(nèi)的絲杠設(shè)計(jì)的過于保守，其受彎矩變形很小，可將其直徑適當(dāng)減小。

（3）由于許多底架連接短橫梁承重過小，安全系數(shù)較高，可由實(shí)心梁改為空心梁。

4 結(jié)束語

通過對排放檢測艙的有限元分析，得到了其在靜態(tài)最大受力工況下應(yīng)力變化圖和位移變化圖，對排放檢測艙的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義；分析結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)較高，表明排放檢測艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度冗余較大，存在結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

[1] 夏均忠.機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 葛蘊(yùn)珊，楊志強(qiáng)，張學(xué)敏，等.在用汽油車瞬態(tài)工況排放測試方法研究[J].汽車工程，2007，29（3）：212-215.

[3] 曹爭光，楊榮江，王潤.基于COSMOS/Simulation的深溝球軸承的接觸有限元分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2010（1）：49-50.

[4] 李慧梅.擴(kuò)展廂式車廂體結(jié)構(gòu)分析[D].天津：軍事交通學(xué)院，2004.

[5] 曲昌榮.汽車車架的輕量化設(shè)計(jì)[D].成都：西華大學(xué)，2006.