發動機懸置托臂斷裂分析及結構優化

孫士杰，張超海，張向陽，王慶

（河南恒發橡塑制品有限公司，河南 長垣 453400）

發動機懸置托臂斷裂分析及結構優化

孫士杰，張超海，張向陽，王慶

（河南恒發橡塑制品有限公司，河南 長垣 453400）

發動機左懸置托臂在進行路試過程中發生斷裂，為了分析斷裂原因，對托臂進行了有限元分析，確定了斷裂位置與應力集中區域相吻合。在此基礎上對托臂結構進行了優化，增加其強度，并經有限元分析、實驗室驗證、路試，確認了優化后結構的可靠性。

托臂；斷裂；有限元分析；應力集中；結構優化

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-91-03

引言

發動機懸置是汽車實現支撐發動機、減緩各種沖擊和降低噪聲的重要系統，懸置系統各個零件設計的合理性直接影響著懸置系統的隔振性及可靠性[1]汽車發動機懸置元件由于長期承受來自發動機的循環載荷，容易產生疲勞裂紋進而斷裂[2]。

某款乘用車發動機的左懸置托臂在進行路試過程中發生斷裂，經調查，該懸置托臂采用的材料為鑄造鋁合金 A380（性能參數見表1），路試過程中同材質的右懸置、后懸置部件未發生斷裂。為了確認該托臂的斷裂原因，利用有限元分析軟件abaqus對其進行了力學分析，確定結構在整個加載過程中的應力集中區；同時在實驗室條件下進行驗證，找出托臂斷裂關鍵原因；在此基礎上對托臂結構進行了優化、分析、驗證，最終通過路試確認了優化后結構的可靠性。

表1 A380性能參數

1 斷裂原因分析

故障發生后，技術人員對故障部件進行詳細的分析。斷裂部件是左懸置托臂，與變速箱相連，主要承受垂直載荷，在動力總成懸置系統中起著支撐作用。該托臂斷裂時已在路試中行駛了約15000km，在通過極限工況時出現了斷裂現象，斷裂部位為托臂與底座連接端開裂，斷口模式如圖1所示。斷裂源位于托臂限位點附近，因此可以推測限位點附近應為該零件的應力集中區。當應力大到可以破壞原子間的鍵合力時，裂紋開始形核，裂紋長大導致斷裂。為了驗證推斷的科學性，還需利用有限元分析軟件作進一步分析。

圖1 托臂斷裂圖

圖2 托臂網格劃分

圖3 托臂應力分析

由于分析的主要任務是確定結構斷裂裂紋的初始位置，進而確定裂紋的擴展路線，因此所需結果為結構的應力，結構在整個加載過程中的應力集中區就是其裂紋初始位置[3]。建立有限元仿真模型，首先利用Hypermesh軟件對托臂進行網格劃分，生成四面體單元，模型采用C3D8I&M3D6（包含12005 nodes、108721 elems），如圖2；利用abaqus軟件進行應力分布分析，模擬斷裂（加載力 22000N，最大主應力321.4MPa，A380抗拉強度為320MPa），應力分布云圖如圖3。對比托臂斷裂圖1和應力分布云圖3可以看出，零件的應力集中區和實際斷裂點相吻合。

為了驗證托臂斷裂有限元分析與實際斷裂受力是否接近，在實驗室條件下使用萬能拉力機對斷裂過程進行模擬，模擬結果表明托臂斷裂時承受的最大載荷為21000N，與有限元分析斷裂加載22000N接近，說明有限元分析結果的可靠性，進一步確認應力集中區發生斷裂是其強度不夠造成的[4]。

2 結構優化

圖4 托臂原結構

圖5 托臂優化后結構

根據零件的具體斷裂位置結合有限元分析結果，決定對該零件應力集中區進行結構優化，優化前結構見圖 4，優化后結構模型見圖 5。我們為降低筋板傾角且筋板覆蓋應力集中兩棱角，將筋板延伸至限位點，對斷裂區域進行局部加強。為了保證優化后結構的可靠性，首先對其進行結構強度分析，再對其強度提升狀況進行確認。

2.1 結構強度分析計算

對優化的托臂新結構進行強度分析，邊界加載：全約束連接支架安裝孔，托臂與連接支架使用剛度耦合單元連接；工況加載：在托臂與懸置連接位置加載28工況[5]，分析結果見表2。

表2 左懸置托臂結構強度計算

評價標準：

1）典型工況≤85%材料屈服強度（136 MPa）；

2）極限工況≤85%材料抗拉強度（272MPa），最大主應力低于材料屈服強度（160MPa）。

因此，由表2可知新模型滿足強度要求。

2.2 優化結構應力分布分析

對優化后的結構也利用Hypermesh軟件對托臂進行網格劃分，為減小分析誤差，分析時均采用同樣的網格類型和相同的網格大小。生成四面體單元，網格類型 C3D8I&M3D6（包含 13741 nodes、120833 elems），如圖 6；利用 abaqus軟件進行應力分布分析，模擬斷裂（加載力29000N，最大主應力319.4MPa，A380抗拉強度為320MPa），應力分布云圖如圖7。對比托臂斷裂圖1和應力分布云圖7可以看出，新結構的應力集中區和實際斷裂點相吻合。

圖6 托臂優化結構網格劃分

圖7 托臂優化結構應力分析

在實驗室條件下使用萬能拉力機對斷裂過程進行模擬，模擬結果表明托臂斷裂時承受的最大載荷為28100N，與有限元分析斷裂加載29000N接近，說明有限元分析結果的可靠性。

托臂新舊結構在實驗室條件下斷裂時承受的最大載荷分別是28100N和21000N，說明優化后的結構在結構強度上有較大提高。

2.3 現場驗證

優化后的托臂組裝后裝車路試，路試里程總計達30余萬公里，在各種工況下均未出現裂紋、斷裂等問題，說明該結構設計合理，強度、耐久等性能滿足要求。

3 結論

（1）通過對托臂進行有限元分析，確定了托臂斷裂源與應力集中區相吻合，說明了有限元分析的可靠性；

（2）優化前托臂的應力集中區在其限位點附近，經過優化后此處強度明顯加強，其承受的最大斷裂載荷也由21000N提高到28100N，結構強度提高了近13.4%；

（3）對于失效件薄弱點進行優化設計，既提高了零件的強度又不影響該零件在整車上的使用，并通過路試對其進行了驗證，確保優化方案滿足實際使用需求，同時為同類零部件的設計提供了參考依據。

[1] 劉百麗.發動機懸置支架故障分析及改進設計[J].汽車實用技術,2013（9）.40-42.

[2] 戴永謙.發動機懸置軟墊初始斷裂位置及斷裂面預判[J].農業機械學報,2005.36（10）.23-25.

[3] 發動機懸置元件的斷裂模擬和懸置支架載荷譜的建立[D].沈陽：東北大學,2009.

[4] 俞雁,蘭鳳崇.汽車發動機懸置支架斷裂失效分析[J].冶金叢刊,2012(1)：25—29.

[5] 林程,王文偉,陳瀟凱.汽車車身結構與設計[M].北京：機械工業出版社,2013.

Fracture analysis and structure optimization of engine suspending corbel

Sun Shijie, Zhang Chaohai, Zhang Xiangyang, Wang Qing
（Henan HengFa Rubber＆Plastic Products Co., Ltd, Henan Changyuan 453400）

The left corbel of engine suspending was fracture in the road test. In order to analysis the fracture reason, make sure the same position between fracture and stress concenrate by FEA. On this basis, optimization the corbel structure and increase it strength, make sure the reliabilit of the optimization structure by FEA, labortory confirmation and road test.

Corbel; Fracture; FEA; Stress concenrate; Structure optimization

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-91-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.032

孫士杰，（1983-）工程師，河南恒發橡塑制品有限公司總經理，從事汽車零部件技術、管理工作。