大型組合式擋泥板固定支架多方案的模擬研究

沈 健 ，宋紀俠 ，黃華龍 ，章 睿 ，王 斌 ，尹 琳

（1.東風汽車股份有限公司商品研發院，武漢 430057；2.東風精密鑄造有限公司，十堰 442714）

大型組合式擋泥板固定支架作為擋泥板系統的重要結構件之一，肩負著連接后擋泥板、后擋泥板支架、ECU和車架縱梁的重要任務，擋泥板固定支架設計結果直接關系到擋泥板系統設計質量的優劣。為縮短設計周期，在設計方案階段引入CAE分析工作。本文對某車型大型組合式擋泥板固定支架運用了動力學仿真分析和有限元分析相結合的方法，研究擋泥板固定支架四種方案的不同點，并結合工程經驗，選擇最佳方案。

1 大型組合式擋泥板系統結構介紹

大型組合式擋泥板系統構成如下：

A——后擋泥板連接支架（鈑金件，材料SPHC，料厚3 mm）；

B——后擋泥板支架（鈑金件，材料DC03，料厚1.5 mm）；

C——后擋泥板（塑料件，料厚3 mm）；

D——縱向擋泥板（塑料件，料厚2.5 mm）；

E——ECU、擋泥板固定支架 （精鑄件，材料ZG410－700）。

如圖1所示，固定點O1、O3、O4固定在車架縱梁上，固定點O2固定在減振支架上，固定點O5用于連接縱向擋泥板D和后擋泥板C；固定點O6、O7和O14用于固定 ECU 本體及附屬支架，固定點 O8、O9、O10、O11用于固定后擋泥板C和后擋泥板支架B，固定點O12、O13用于連接后擋泥板連接支架A和后擋泥板支架B。

2 動力學仿真

2.1 動力學仿真模型的建立

運用動力學仿真分析軟件ADAMS建立擋泥板固定支架系統動力學模型，如圖3所示。輸入擋泥板固定支架系統的各零件質量、質心坐標、各固定點坐標，車架用大地代替，各零件之間及零件與大地之間用襯套連接。 固定點 O15、O16、O17和 O18（僅方案一和方案三有）固定于車架上。

2.2 動力學仿真計算

根據設計工程師提議，計算擋泥板固定支架系統的工況如下：垂直載荷，自重及Z向3 g，自重及Z向6 g；制動載荷，自重及X向1 g；右轉向載荷，自重及Y向1 g。

三種工況下擋泥板固定支架各固定點 （說明參見圖1～3）受力情況見表1。

表1 擋泥板固定支架各固定點受力情況 N

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

運用有限元分析軟件HYPERWORKS建立擋泥板固定支架有限元模型。有限元模型采用邊長2 mm的四面體單元進行網格劃分，從而更大范圍地保持支架的局部小特征，如圖4所示。材料為ZG410-700，材料設置如表2所示。

表2 擋泥板固定支架材料參數設置

3.2 模態分析

約束擋泥板固定支架與車架連接點。計算擋泥板固定支架的約束模態，結果如表3所示。

表3 不同方案的約束模態頻率 Hz

發動機、傳動系、車輪等旋轉部件引起的振動頻率中，發動機引起的振動頻率最大。為避免共振現象的發生，擋泥板固定支架的模態頻率要高于發動機的引起的扭轉振動頻率。

該車型發動機為四缸四沖程發動機，額定轉速和最大轉速分別為2 500 r/min和2 800 r/min。根據經驗公式［1］可知，額定轉速和最大轉速對應發動機扭轉振動頻率分別為83 Hz和93 Hz。考慮發動機可能超轉速工作，為避免共振現象的發生，要求擋泥板固定支架最低階模態頻率高于93 Hz。從表3可知，除方案三外，其他方案均滿足模態分析的要求。根據工程經驗，精鑄零件在冷卻過程中變形較大，開口結構雖耗材少，但成品率低，可制造性劣于封閉結構方案。

3.3 強度分析

約束擋泥板固定支架固定點O15～O18。依據動力學仿真分析結果進行載荷輸入，將7個固定點（O6～O14，不含 O12及 O13）的力施加到有限元模型中進行強度分析。四種工況下擋泥板固定支架不同方案的強度分析結果如圖6～9所示。

綜合四種工況考慮，擋泥板固定支架的最大應力遠小于屈服強度410 MPa，四個方案均滿足強度要求。閉口結構方案一、方案二好于開口結構方案三、方案四。

3.4 剛度分析

將 7 個固定點（O6～O14，不含 O12及 O13）的各方向力輸入到有限元模型中進行剛度分析，計算各固定點合力下的剛度。其中O6、O7和O14為ECU的安裝點，需重點考察。剛度分析結果如表4所示，固定點O6、O7為懸臂梁端點，故剛度值較低，固定點O14非懸臂梁結構剛度值較大。綜合各工況下ECU安裝點的情況，可知，閉口結構方案一、方案二好于開口結構方案三、方案四。

表4 擋泥板固定支架不同方案的剛度值 N/mm

4 結論

本文通過動力學仿真計算出擋泥板固定支架在四種工況下受力的大小和方向，為擋泥板固定支架的強度、剛度分析提供了載荷，計算了支架在各種工況下的應力分布和支架本身的模態性能。通過結果，可以得出如下結論：

1）除方案三外，其他三個方案均滿足模態方面要求，即不會在工作范圍內發生共振現象。

2）閉口結構方案一、方案二在強度、剛度方面明顯好于開口結構方案三、方案四。

3）考慮到汽車使用過程中螺栓防松的需要，四點固定的閉口結構方案一具有綜合優勢，被正式采用。

［1］東風汽車公司技術中心.發動機懸置系統的設計及選擇［M］.東風汽車公司柴油發動機廠，1998.