基于有限元技術的鑄鋁支架結構性能研究

趙俊男 于洋 董有昌 池青山 王巖

摘 要：文章以某款車型鑄鋁支架為研究對象，運用有限元技術對其結構進行了模態分析、動態響應分析、靜態性能分析和壓鑄性能分析。后續制作樣件，分別通過材料機械性能試驗、孔隙率試驗、靜態破壞試驗和疲勞性能試驗驗證。綜上所述，確定結構性能滿足目標要求，驗證軟件仿真分析的準確性，保證產品質量，獲得項目組認可。

關鍵詞：模態分析;鑄鋁支架;靜態性能;壓鑄性能

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-169-05

Structure performance research of cast aluminum bracket based

on the finite element technique

Zhao Junnan， Yu Yang， Dong Youchang， Chi Qingshan， Wang Yan

（ Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315336 ）

Abstract： This paper takes the cast aluminum bracket as the research object based on the vehicle model. By finite element technology， the structure modal analysis， the static performance analysis and the die casting performance analysis of the scheme are calculated. Subsequent making samples， respectively through the material mechanical performance test， porosity test， static test and fatigue test verification. In conclusion， the structure performance satisfies the requirement of the target， and verify the accuracy of the software simulation analysis， ensure the quality of product， obtains programs approval.

Keywords： Modal analysis; Cast aluminum bracket; Static performance; Die casting performance

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-169-05

前言

近些年來，由于計算機技術的飛躍發展，伴隨著有限元軟件日益完善，有限元技術作為有力的技術保障，促進汽車行業的高速發展。排氣系統是汽車的一個重要組成部分，形狀結構復雜，其可靠性直接關系到汽車的整體性能。然而，排氣系統支架是排氣系統重要的支撐部分，一方面要承受發動機工作時產生的機械振動和道路產生的激勵沖擊，同時也受到排氣溫度的影響。如果支架結構設計不合理，就會造成排氣系統功能失效。因此，排氣系統支架的結構設計合理性直接影響著整車的可靠性。

本文以某車型排氣系統支架為研究對象，首先收集影響零部件選型以及功能實現的所有相關需求，綜合考慮輕量化、成本、防腐、NVH、堅固性、安全性和總布置等幾方面維度，選用壓鑄鋁方案的排氣系統支架。壓鑄鋁支架具有生產效率高、尺寸精度和表面光潔度高、力學性能優良，耐腐蝕好等優點;本文運用有限元技術，對壓鑄鋁支架的結構進行了約束模態、動態響應分析、靜態特性和鑄造性能分析;最后制作壓鑄鋁支架工裝件，對樣件進行材料力學性能、孔隙率斷面分析、靜態破壞和疲勞試驗驗證。通過以上幾方面的研究，確定該方案滿足目標要求，并驗證軟件仿真分析的準確性，為今后建立相應的數據庫做好鋪墊。

1 產品定義

1.1 零部件選型

零部件選型旨在將市場需求和客戶之聲準確地描述為可實現和可驗證的工程需求，收集影響零部件選型的法規、制造、質量等所有相關需求，將需求清晰地、邏輯地逐層分解到零部件的屬性要求，從屬性要求的多個維度進行零部件方案對比，在平衡相沖突的投資與成本指標后，選出可行的最佳方案。

目前，根據市場中不同車型的排氣系統布置方案不同，常見的排氣系統支架分為鑄鐵支架、鑄鋁支架和鈑金支架，其中鈑金支架包括不銹鋼方案和耐熱鋼板+表面處理方案，由圖1所示四種方案排氣系統支架實物。

在排氣系統支架的選型階段，本文從輕量化、成本、防腐、NVH、堅固性、安全性和總布置七項維度綜合考慮，對四種方案進行性能對比分析，由表1所示四種方案在七項維度上性能對比情況。本文參考平臺車型定位，選擇壓鑄鋁方案排氣系統支架，材料為AlSi9Cu3。雖然成本略高，但是在輕量化、防腐和NVH方面都要遠遠優于其他方案，能夠承受高溫、高濕、石頭擊傷零部件、濕熱交變頻繁、動載荷工況等沖擊，可以有效地提高整車性能。

本文運用三維軟件繪制鑄鋁支架，如圖2所示鑄鋁支架裝配圖。鑄鋁支架一端與發動機配合裝配，通過4個M8螺栓安裝;另一端與變速箱配合裝配，通過3個M10螺栓安裝;鑄鋁支架上斜面與排氣系統上焊接支架配合裝配，通過4個M8螺栓安裝，起到支撐排氣系統作用;為了半軸與變速箱裝配，在鑄鋁支架上增加一個內孔。建立坐標系，原點定義為配合裝配變速箱側的第一孔與變速箱側安裝面的交點，X軸垂直于發動機側安裝面，方向指向發動機，其中X+表示X軸正方向，X-表示X軸負方向;Y軸垂直于變速箱側安裝面，方向指向變速箱，其中Y+表示Y軸正方向，Y-表示Y軸負方向;Z軸方向指向排氣系統，其中Z+表示Z軸正方向，Z-表示Z軸負方向。

1.2 目標設定

鑄鋁支架是整個排氣系統的主要支撐件，其結構性能要求有以下幾方面：

（1）材料性能應滿足表2要求。

（2）模態要求：鑄鋁支架在約束條件下第一階固有頻率大于240Hz。

（3）動態響應要求：在激振頻率作用下，鑄鋁支架的最大位移處抵抗變形能力大于500N/mm。

（4）靜態性能要求：根據整車極限工況條件下計算結果可知，要求鑄鋁支架所能承受的靜態力分別為X+：≥13.1 KN;X-：≥13.1KN;Y+：≥18.3KN;Z+：≥18.6KN;Z-：≥16.3KN。因此，當鑄鋁支架分別受到靜態力X+=13.1 KN;X-=13.1KN;Y+=18.3KN;Z+=18.6KN;Z-=16.3KN條件下，要求鑄鋁支架的最大主應力不大于材料的80%抗拉強度。

（5）疲勞性能應滿足以下四項疲勞試驗要求，試驗過程中不能出現開裂，功能失效。

X向低周疲勞：

載荷：-10900～7900N;頻率15HZ，次數：20萬次;

X向高周疲勞：

載荷：-8200～5900N;頻率25HZ，次數：100萬次;

Z向低周疲勞：

載荷：-4600～7000N;頻率15HZ，次數：20萬次;

Z向高周疲勞：

載荷：-3200～5500N;頻率25HZ，次數：100萬次。

（6）壓鑄性能要求：

1）鑄鋁過程中填充溫度和速度分布均勻，不能出現明顯卷氣現象;

2）凝固過程中溫度呈梯形均勻分布，不能出現局部溫差過大;

3）孔隙率≤5%，最大孔隙尺寸<Φ1.5mm。

以上要求，為后文結構性能分析提供了評價準則。

2 結構性能分析

在車輛正常行駛條件下，鑄鋁支架不斷受到來自于發動機和道路產生的激勵沖擊，為了防止鑄鋁支架發生共振現象和變形過大，本文對其結構進行約束條件下模態分析和動態響應分析;當車輛行駛在極限工況下，由于鑄鋁支架分別承受著X、Y和Z軸三個方向的最大靜載荷沖擊，為了防止發生斷裂現象，本文對其結構進行靜態性能分析;為了提供鑄鋁支架的壓鑄成品率，節約研制成本，保證樣件質量，本文對其結構進行鑄鋁性能分析。

2.1 模態分析

在模態分析中，運用有限元軟件對鑄鋁支架的數模進行網格劃分，設置與發動機配合的4個裝配孔和與變速箱配合的3個裝配孔為固定六個自由度約束，在與排氣系統上焊接支架配合的裝配斜面上施加重量約束，如圖3所示。

對有限元模型計算得到前十階固有頻率如表3所示，提取第一階模態分析應力圖，如圖4所示，第一階頻率值大于目標值240Hz，滿足模態設計要求。

2.2 動態響應分析

在動態響應分析中，根據裝配實際情況，設置鑄鋁支架的激勵點為與排氣系統上焊接支架配合裝配的斜面。在模態分析的有限模型基礎上，分別施加X、Y、Z3個方向的單位力，選擇激振頻率范圍為0～500 Hz，運用有限元軟件對模型進行動態響應分析。

本文所搭載的發動機為四缸兩沖程的汽油機，其產生的振動頻率為0～200Hz，由于鑄鋁支架的第一階固有頻率遠大于振動頻率，相比之下激振頻率越接近固有頻率，發生位移越大。因此鑄鋁支架在激振頻率200Hz作用下，會發生最大位移。通過計算得到，鑄鋁支架的最大位移處抵抗變形能力分別為782.925N/mm、2443.395N/mm、855.776N/mm，都大于500N/mm，滿足動態響應要求，圖5表示鑄鋁支架動態響應分析圖。

2.3 靜態性能分析

在靜態性能分析中，將模態分析模型中重量約束刪除，在與排氣系統上焊接支架配合的裝配斜面上分別施加靜態力X+=13.1KN;X-=13.1KN;Y+=18.3KN;Z+=18.6KN;Z-=16.3 KN，通過軟件計算得到結果如圖6所示。

根據計算結果可知，在X，Y和Z軸三個方向上，鑄鋁支架所承受的最大應力分別為54.6MPa、40.7MPa、102.3Mpa、60.4Mpa和58.9MPa，其最大應力值小于材料的80%抗拉強度192Mpa，滿足靜態性能要求。

2.4 壓鑄性能分析

在鑄鋁性能分析中，根據鑄鋁支架的結構可知，外形尺寸約為266mm×177mm×174mm，成品重量為1430g，產品投影面積為約47082mm?，通過對投影面積的計算，該鑄件適合在530T壓鑄機上生產，一模一腔，設置鋁液溫度為650℃，壓鑄高速和低速分別為2.5m/s和0.2m/s，節拍為55s/Pcs。對鑄鋁支架的數模進行工藝分析，如圖7所示，綠色實線標記為模具設計分型線，在避讓半軸的內孔處增加滑塊，壓鑄進料位置在鑄鋁支架的底側，渣包均勻分布。

按照工藝分析結果，建立鑄鋁支架的鑄鋁數模，通過MAGMA軟件進行鑄鋁性能分析，得到分析結果如圖8所示。由圖可知，當液態金屬充滿型腔過程中，填充溫度和速度分布均勻，沒有出現局部填充溫度過低現象和由于填充速度過快或者過慢產生明顯的卷氣現象。當鑄件表面溫度降至凝固溫度時，表面開始凝固，凝固溫度隨著鑄件厚度呈梯形均勻分布，沒有出現局部凝固溫度過低或者過高現象，滿足壓鑄性能要求。

3 試驗驗證

為了更好地驗證鑄鋁支架結構的可靠性和上述軟件仿真分析結果的準確性，本文對鑄鋁支架樣件分析進行材料機械性能試驗、孔隙率試驗、靜態破壞試驗和疲勞性能試驗驗證。

3.1 材料機械性能試驗

在材料機械性能試驗中，選用CMT5605型號萬能材料試驗機和HBE-3000IS型號布氏硬度計，在常溫條件下測試三組試棒，得到測試結果如圖9所示，其數值均滿足材料性能要求。

3.2 孔隙率試驗

在孔隙率試驗中，本文選用標尺為1.9763?m，放大倍數為2.0，在樣件上截取面積為269.1mm2的測試樣片進行觀察，如圖10所示，孔隙率為1.39%，最大孔隙尺寸為Φ0.62mm，均滿足壓鑄性能要求。

3.3 靜態破壞試驗

在靜態破壞試驗中，選用線性液壓作動器（最大載荷：25KN，最大行程：250mm），將樣件按要求安裝在試驗臺架上，以500N/s的速率進行加載，靜態載荷分別為X+=13.1KN、X-=13.1KN、Y+=18.3KN、Z+=18.6KN、Z-=16.3KN，每組測試3套樣件，測試完成后對樣件進行探傷處理，所有樣件均無開裂，功能正常，圖11表示在Y+=18.3KN條件下某組靜態破壞試驗。

3.4 疲勞性能試驗

在疲勞性能試驗中，同樣地選用線性液壓作動器（最大載荷：25KN，最大行程：250mm），將樣件按要求安裝在試驗臺架上，按照四項疲勞試驗要求施加動態載荷，每組測試3套樣件，試驗后，探傷檢查所有樣件無開裂，功能正常，圖12表示Z向某組低周疲勞試驗。

通過以上幾項零部件試驗驗證，有效地驗證該方案的結構性能滿足目標要求。在項目試驗驗證階段，該方案通過了整車道路耐久試驗，進一步地驗證鑄鋁支架結構的可靠性。

4 總結

本文是以鑄鋁支架為研究對象，首先通過零部件選型采用壓鑄鋁方案的排氣系統支架;再運用有限元技術，對該方案的結構進行了模態分析、動態響應分析、靜態性能分析和壓鑄性能分析，分析結果證明了該方案的結構性能滿足目標要求;后續制作支架樣件，分別通過材料機械性能試驗、孔隙率試驗、靜態破壞試驗和疲勞性能試驗驗證。綜上所述，確定該方案滿足目標要求，節約研制成本，保證樣件質量，并驗證軟件仿真分析的準確性。

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