汽車尿素箱支架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

鐘宏松，沈保山，王康，史榮旭，肖一帆

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院， 江蘇無錫 214000)

0 引言

汽車尿素，即柴油機(jī)尾氣處理液，能夠吸收氮氧化合物的除污液體，其中包含了67.5%的去離子水和32.5%的高純尿素，存儲在尿素箱內(nèi)[1]。

尿素箱多為通過支架外掛在車身上，在重型汽車運(yùn)行過程中，工況惡劣，從而導(dǎo)致尿素箱支架失效，故障率高。很多研究工作致力于解決尿素箱支架承重問題、優(yōu)化尿素箱支架結(jié)構(gòu)。如鮑曉東等[2]總結(jié)了一套適用于重型車輛支架疲勞驗證的臺架試驗規(guī)范；李亮等人[3]闡述了結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)和振動疲勞壽命的基本原理；文新海等[4]闡述了結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動疲勞壽命的基本原理及基于激勵跑譜的振動疲勞壽命分析的方法和流程。本文作者基于有限元分析手段，對尿素箱支架進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)計算結(jié)果中關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布，對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)部件輕量化目標(biāo),繼而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，提高汽車的動力性和降低燃油油耗[5]。

1 有限元原理

有限元是解決機(jī)械類復(fù)雜工程問題的一種數(shù)值分析工具，有著復(fù)雜而龐大的理論體系[6]。基本過程主要包括：分析對象的離散化、有限元求解、計算結(jié)果的后處理三部分。其本質(zhì)是求出每一個單元表示的復(fù)雜未知量的近似解，然后推理出域的滿足條件，進(jìn)而求得問題的解。在有限元中，常以節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量。并對每個單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù)近似地表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，再利用力學(xué)理論中的變分原理或其他看法，建立節(jié)點(diǎn)力與位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解節(jié)點(diǎn)的位移分量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸，增加求解區(qū)域內(nèi)單元的數(shù)目，解的近似程度將不斷改進(jìn)，近似值最終將收斂于精確解。

有限元分析的目的：針對具有任意復(fù)雜幾何形狀變形體，完整獲取在復(fù)雜外力作用下它內(nèi)部的準(zhǔn)確力學(xué)信息，即求取該變形體的三類力學(xué)信息(位移、應(yīng)變、應(yīng)力)[7]。

隨著計算機(jī)技術(shù)和計算方法的發(fā)展，有限元法在工程設(shè)計和科研領(lǐng)域得到了越來越廣泛的重視和應(yīng)用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計算問題的有效途徑，汽車的設(shè)計制造已離不開有限元分析計算。

2 有限元分析

2.1 分析過程

2.1.1 建立有限元模型

有限元模型包括車架縱梁、尿素箱支架、槽形支撐梁、卡扣、尿素箱等,如圖1所示。其中縱梁、斜支架和卡扣采用殼單元表示；螺栓采用RBE2+beam單元進(jìn)行模擬；尿素泵質(zhì)量利用rb2+mass模擬；縱梁和槽形支撐接觸面、槽形支撐和斜支架接觸面均采用Contact接觸連接，摩擦因數(shù)為0.15，焊接處采用節(jié)點(diǎn)耦合來模擬。除縱梁和橫梁外，其余支架材料為Q235，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa。

2.1.2 工況定義

根據(jù)實(shí)車裝配要求，截取車架縱梁一部分， 并對車架截斷處進(jìn)行全約束，同時施加重力載荷，具體載荷見表1。

表1 工況定義

2.2 計算結(jié)果

利用ABAQUS軟件對尿素箱支架進(jìn)行非線性強(qiáng)度計算，得出在垂直沖擊、制動、轉(zhuǎn)向3個工況下的應(yīng)力云圖，如圖2—圖4所示，最大應(yīng)力和位移結(jié)果見表2。

表2 計算結(jié)果

圖2 垂直沖擊工況應(yīng)力云圖

圖3 制動工況應(yīng)力云圖

圖4 轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力云圖

由以上結(jié)果可得，該支架在三工況下的應(yīng)力均小于Q235材料的屈服強(qiáng)度(235 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

由應(yīng)力分布云圖可以看出，該支架雖然最大應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度比較接近，但大部分區(qū)域的應(yīng)力都比較低，存在減重優(yōu)化空間。在此思路下，對該支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后裝配圖

3.2 有限元分析及其結(jié)果

為考察優(yōu)化后支架的強(qiáng)度性能，對其進(jìn)行新一輪的有限元分析，模型處理及工況定義均與上文相同，其計算結(jié)果見表3，應(yīng)力云圖如圖6—圖8所示。

表3 優(yōu)化后強(qiáng)度分析結(jié)果

圖6 優(yōu)化后垂直沖擊工況應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后制動工況應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力云圖

由以上結(jié)果可得，該支架在垂直沖擊和制動工況下的最大應(yīng)力均小于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。雖然轉(zhuǎn)向工況的最大應(yīng)力較優(yōu)化前有所提升，但其最大應(yīng)力僅為76 MPa。其在三工況下的應(yīng)力均小于Q235材料的屈服強(qiáng)度(235 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

利用有限元法對某尿素箱支架進(jìn)行了三工況非線性強(qiáng)度計算，獲得了該部件的應(yīng)力分布，并根據(jù)其應(yīng)力分布特點(diǎn)對支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及有限元驗證計算，在理論計算和可靠性試驗均能滿足強(qiáng)度要求的情況下，該支架由9.45 kg減至5.59 kg，降重35.6%，降重效果較為明顯。