基于Abaqus某型號(hào)中冷器振動(dòng)失效診斷

楊俊生

摘 要：企業(yè)為節(jié)省產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)費(fèi)用 開(kāi)發(fā)同類(lèi)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與有限元仿真關(guān)聯(lián)研究與驗(yàn)證 以確保有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的高度吻合 兩者結(jié)果誤差應(yīng)在5%以內(nèi)。據(jù)此運(yùn)用FEA技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)快速響應(yīng) 使得設(shè)計(jì)變更更有針對(duì)性。文章以某型號(hào)中冷器為研究對(duì)象 進(jìn)行諧響應(yīng)仿真后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效。為解決失效問(wèn)題 理論聯(lián)系實(shí)踐 依據(jù)產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)方程及系統(tǒng)幅頻特性曲線 找出影響產(chǎn)品失效的關(guān)鍵因素─頻率比。

關(guān)鍵詞：諧響應(yīng);隔振器;固有頻率;動(dòng)剛度系數(shù);頻率比;幅頻特性

中圖分類(lèi)號(hào)：O316? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）18-149-03

Abstract： In order to save the expensive field test costs of products， the enterprise develops the correlation research and verification between the field test and finite element simulation for similar products to ensure that the finite element analysis and the field test are highly consistent， and the error between the two results should be within 5%. Accordingly， FEA responds quickly to product design， making design changes more targeted. The article takes a certain type of intercooler as the research object， and after harmonic response simulation， it is found that the product fails. To solve failure issue， integrating theory?with?practice， according to the system dynamic equation and the system's amplitude-frequency characteristic curve， the key factor-frequency ratio which could be utilized.

Keywords： Harmonic response; Isolator; Nature frequency; Dynamic stiffness coefficient; Frequency ratio; Amplitude -frequency characteristic

CLC NO.： O316? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-149-03

前言

按照標(biāo)準(zhǔn)[1]要求 車(chē)輛的里程數(shù)達(dá)到60萬(wàn)公里后 就會(huì)被引導(dǎo)報(bào)廢 這就給小汽車(chē)的可靠性設(shè)計(jì)提供了基準(zhǔn) 據(jù)此也就決定了汽車(chē)零部件耐久壽命。對(duì)于汽車(chē)空空中冷器按照相關(guān)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求按照規(guī)定的方法振動(dòng)次數(shù)一般不超過(guò)30萬(wàn)次 但也有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)另外要求的 以此來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的抗振能力及符合可靠性設(shè)計(jì)的要求;為保證產(chǎn)品能夠符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及客戶的要求 這涉及到兩方面：輸入 即由于客戶會(huì)針對(duì)一些車(chē)型做出一些針對(duì)性的要求;輸出 即汽車(chē)零部件廠家會(huì)根據(jù)自己公司CADs庫(kù)和相關(guān)工具及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出符合輸入端的要求的產(chǎn)品。那么當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)失效時(shí)如何結(jié)合公司現(xiàn)有改進(jìn)工具實(shí)踐與理論互相驗(yàn)證 抓住主要矛盾進(jìn)行研究分析。很多情況下初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不一定都能符合客戶規(guī)定的要求 在運(yùn)用FEA等技術(shù) 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效的情況下如何診斷及如何采取措施使得產(chǎn)品符合客戶要求將在文章中進(jìn)一步討論。空空中冷器工作原理參見(jiàn)圖1。

1 振動(dòng)分析

1.1 模態(tài)分析

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或者技術(shù)規(guī)范要求 首先提取空-空中冷器的固有頻率 在進(jìn)行模態(tài)分析前 檢查FEA模型與BOM表中模型質(zhì)量進(jìn)行比對(duì) 偏差在5%內(nèi) 符合仿真要求。文章涉及產(chǎn)品模型示意圖參見(jiàn)圖2 要求提取1-100Hz內(nèi)的固有頻率 而模型中的隔振器的動(dòng)剛度系數(shù)為：Kx=27.5N/mm Ky=134N/mm Kz=134N/mm 氣室材料為玻璃纖維塑料 芯體材料為鋁合金 邊界條件盡量接近實(shí)際安裝方式 模態(tài)分析結(jié)果參見(jiàn)表1。

前三階振型分別是按X Y Z方向的擺動(dòng)。

1.2 諧響應(yīng)分析

按照產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范的要求 當(dāng)固有頻率不超過(guò)50Hz時(shí) 按此頻率進(jìn)行諧響應(yīng)分析 產(chǎn)品振動(dòng)參數(shù)要求參見(jiàn)表2。

按規(guī)定激勵(lì)進(jìn)行諧響應(yīng)仿真 結(jié)果參見(jiàn)表3。

由表3可知 振動(dòng)結(jié)果顯示在中冷器在X和Y方向上中冷器的芯體和氣室均不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的壽命。

2 失效診斷

技術(shù)規(guī)范要求 當(dāng)掃描固有頻率小于50Hz時(shí)以固有頻率及表2規(guī)定的激勵(lì)做諧響應(yīng)分析 當(dāng)固有頻率大于50Hz時(shí) 以表2規(guī)定的激勵(lì)及25Hz的振動(dòng)頻率做諧響應(yīng)分析。

對(duì)于中冷器在x y z三軸 每個(gè)方向諧響應(yīng)模型動(dòng)力學(xué)方程式為：

系統(tǒng)固有頻率

其中m為中冷器振動(dòng)質(zhì)量 c為系統(tǒng)阻尼 k為彈簧剛度系數(shù) F為諧響應(yīng)激勵(lì)振幅 ω為激勵(lì)圓頻率 ωn為無(wú)阻尼時(shí)的固有頻率 ξ為阻尼比 t為時(shí)間歷程 u為位移響應(yīng)。

影響振幅的主要因素分別為激勵(lì)幅值、頻率比以及阻尼比。由于激勵(lì)振幅是一定的 阻尼比在仿真中是按5%的經(jīng)驗(yàn)值 這也決定了當(dāng)激勵(lì)頻率與共振頻率相當(dāng)時(shí)系統(tǒng)振幅為最大 所以唯一能夠影響到中冷器振幅的是頻率比 如圖3所示 當(dāng)頻率比遠(yuǎn)離1的時(shí)候 系統(tǒng)不發(fā)生共振。由于中冷器質(zhì)量限于空間和材料成本以及需要滿足流體動(dòng)力學(xué)的要求 基本上更改的裕量不大;那么更改在可能的范圍內(nèi)提高隔振器的動(dòng)剛度系數(shù)多數(shù)情況下是一種有效的方法。

3 二次分析

根據(jù)上述診斷結(jié)果 進(jìn)行二次分析 首先去除隔振器并觀察中冷器固有頻率的變化 結(jié)果參見(jiàn)表4 由表可知第1階頻率由24Hz提升到75Hz 由此可以計(jì)算出產(chǎn)品的頻率比為3 從圖3中看出系統(tǒng)振動(dòng)幅度較小系統(tǒng)安全。

下一步則通過(guò)提高隔振器的動(dòng)剛度系數(shù)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試分析并觀察系統(tǒng)共振頻率的變化趨勢(shì) 具體參見(jiàn)表5。

通過(guò)表5數(shù)據(jù)看出隨著隔振器動(dòng)剛度系數(shù)的變化 固有頻率緩慢增加 但是隨著動(dòng)剛度系數(shù)的增加 隔振器可實(shí)現(xiàn)此動(dòng)剛度系數(shù)的可能性遞減 由上述的失效診斷可知 產(chǎn)品依然存在很大失效風(fēng)險(xiǎn)。因此提高隔振器動(dòng)剛度系數(shù)的方法看起來(lái)起不到明顯作用 前面已經(jīng)提到當(dāng)系統(tǒng)無(wú)隔振器時(shí)系統(tǒng)的頻率比為3 無(wú)隔振器器系統(tǒng)的諧響應(yīng)結(jié)果參見(jiàn)表6。

去除隔振器后中冷器的固有頻率從24Hz提升到75Hz 頻率比從1提升到3 振動(dòng)結(jié)果符合客戶要求。隔振器的作用相當(dāng)于彈簧 起到緩沖減振的目的;沒(méi)有隔振器一方面提高了系統(tǒng)整體剛度 使得系統(tǒng)剛度提升 固有頻率提高;另一方面由于該中冷器三個(gè)與整車(chē)連接的支架比較長(zhǎng) 材料是纖維增強(qiáng)塑料 降低了整個(gè)中冷器系統(tǒng)的剛度 一定程度上起到了代替隔振器起到緩沖減振的目的 因此隔振器的作用就不那么凸顯。

4 結(jié)論

文章通過(guò)實(shí)踐與理論結(jié)合 依據(jù)產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)方程及系統(tǒng)幅頻特性曲線 找出影響產(chǎn)品失效的關(guān)鍵因素—頻率比 以此解決產(chǎn)品諧響應(yīng)失效問(wèn)題。此外由于此中冷器產(chǎn)品與整車(chē)連接通過(guò)較長(zhǎng)的支架連接 一定程度上起到緩沖減震的作用

導(dǎo)致隔振器作用不凸顯。文章研究還存在以下不足 一方面由于文章沒(méi)有考慮因去除隔振器是否會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題 比如噪音問(wèn)題 如果產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)噪音有要求 那么需要進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)噪音分析。另一方面由于中冷器氣室材料是玻璃纖維增強(qiáng)材料 有條件的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)與流變耦合仿真會(huì)使得仿真更接近真實(shí)情況。

參考文獻(xiàn)

[1]????? 商務(wù)部、發(fā)改委、公安部、環(huán)境保護(hù)部令2012年第12號(hào)《機(jī)動(dòng)車(chē)強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》.

[2]????? QC/T828-2011，汽車(chē)空-空中冷器技術(shù)條件[S].

[3]????? ABAQUS 2016，GETTING STARTED WITH ABAQUS/CAE，? Dassault Systèmes， 2015.

[4]????? 石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2016.

[5]????? 朱以文，蔡元奇.ABAQUS/Standard 有限元軟件入門(mén)指南[J].2003.

[6]????? 趙騰倫.ABAQUS 6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社，2007.

[7]????? 張義民，孫志禮，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版 社，2010.

[8]????? 張義民.機(jī)械振動(dòng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[9]????? 許文本，焦群英.機(jī)械振動(dòng)與模態(tài)分析基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[10]??? 劉鴻文.材料力學(xué)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[11]??? 傅永華.有限元分析基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[12]??? 牟志忠.機(jī)械可靠性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2011.

[13]??? 王鐸，程靳.理論力學(xué)（第六版）[M].北京：高等教育出版社2002.