基于振動疲勞的某水泵支架開裂分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

葛緒坤，楊全凱，吳澤勛，蔡劍，韓旭，王德遠(yuǎn)，黃福洲

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，杭州 311328）

引言

目前，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，其安全問題愈發(fā)引起各大主機廠和客戶的重視。尤其是近年來續(xù)航里程的增加，導(dǎo)致電池包體積較為龐大，必須對其散熱性能進(jìn)行嚴(yán)格控制，才能避免在車輛行駛過程中因電池包過熱而發(fā)生危險。一般地，電池包會有獨立的冷卻系統(tǒng)，而冷卻水泵是其中較為重要的零部件，一旦出現(xiàn)故障會直接影響電池包的冷卻功能。因此，冷卻水泵及其安裝支架的可靠性十分重要。

在整車產(chǎn)品開發(fā)過程中，為了盡快識別設(shè)計風(fēng)險及更好地檢測車輛的性能，一般主機廠都會在專業(yè)的汽車試驗場內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)格的強化路耐久路試。試驗場內(nèi)包含可以模擬用戶實際使用情況的各種路面，如坑洼路、碎石路等，且更為嚴(yán)苛，這樣才能使車輛更快的暴露出問題。本文所研究車輛，在鹽城汽車試驗場進(jìn)行強化路耐久試驗時發(fā)現(xiàn)電池包冷卻水泵支架連續(xù)發(fā)生兩次開裂，給產(chǎn)品可靠性帶來極大挑戰(zhàn)。為了找出具體開裂原因，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強設(shè)計，本文進(jìn)行了下述分析和研究。

1 開裂背景

如圖1所示，在強化路試日常檢查時發(fā)現(xiàn)，電池包冷卻水泵支架在螺栓安裝點周圍發(fā)生斷裂。在補焊以及更換新支架后，斷裂現(xiàn)象依然存在，平均斷裂里程約2 200 km，該問題嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。

2 開裂問題排查

在試驗過程中發(fā)生開裂的原因有很多，工藝裝配問題、零件本身材料問題都有可能導(dǎo)致零部件失效。為了準(zhǔn)確的找出開裂原因，需要對各個可能的原因進(jìn)行仔細(xì)排查，本文從內(nèi)部因素和外部因素兩個方面進(jìn)行研究分析，流程如圖2所示。

圖2 水泵支架開裂問題排查流程

2.1 化學(xué)成分及金相分析

對圖1中開裂后的水泵支架所使用的SPCC材料進(jìn)行化學(xué)成分分析和金相分析，取樣測試后的結(jié)果如表1所示。可以看出，支架本身的材料沒有任何問題。

表1 樣件檢測結(jié)果

圖1 冷卻水泵支架兩次開裂位置

2.2 制造工藝及裝配問題

通過對樣件質(zhì)量以及安裝方式等進(jìn)行排查，并沒有發(fā)現(xiàn)樣件本身的缺陷問題，亦沒有發(fā)現(xiàn)有螺栓松動及安裝不當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生。因此，初步判斷，很有可能是支架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而導(dǎo)致的開裂。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計問題排查

從圖3所示的水泵及支架結(jié)構(gòu)，觀察該冷卻水泵支架，可以發(fā)現(xiàn)：冷卻水泵質(zhì)心偏離兩個螺栓安裝點中心線較多，安裝點P2距離質(zhì)心更近，所以承擔(dān)載荷更大，但結(jié)構(gòu)卻比較薄弱，很有可能是該原因?qū)е碌拈_裂。

圖3 冷卻水泵支架結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 強度分析

為了進(jìn)一步確定開裂原因，在ANSA軟件中建立了冷卻水泵支架的有限元模型。對該模型進(jìn)行有限元靜態(tài)強度分析，考察在X向、Y向和Z向的強度性能，分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，各工況下支架最大應(yīng)力都出現(xiàn)安裝點P2周圍，但應(yīng)力都小于支架材料的屈服極限（SPCC：195 MPa）。因此，支架并不是靜強度不足問題導(dǎo)致的開裂，需要進(jìn)一步考慮其他原因。

圖4 冷卻水泵支架靜強度分析結(jié)果

2.3.2 模態(tài)試驗與有限元分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)本身固有的振動特性，模態(tài)參數(shù)通常包含模態(tài)振型、固有頻率等。工程上通常采用試驗或有限元的方法求取模態(tài)參數(shù)，該過程稱為模態(tài)分析。對整車裝配狀態(tài)下的水泵進(jìn)行模態(tài)試驗，獲取水泵支架的響應(yīng)曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，在激勵達(dá)到23H左右時，水泵支架各向響應(yīng)都比較大，可以判斷是支架的固有頻率。

圖5 冷卻水泵支架模態(tài)試驗結(jié)果

為提升問題分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效率，對建立的水泵支架有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析并與試驗結(jié)果對標(biāo)。模態(tài)分析一階模態(tài)固有頻率為22 Hz，振型表現(xiàn)為垂直于支架安裝面的Y向振動。與試驗結(jié)果相差4.3 %，主要原因是為提高計算效率而在有限元模型處理時對支架的實際裝配狀態(tài)采取一定的簡化措施。依據(jù)工程經(jīng)驗，23 Hz的固有頻率比較低，很容易在路試過程中發(fā)生共振，導(dǎo)致開裂。

3 振動疲勞分析

3.1 振動疲勞基礎(chǔ)理論

汽車在試驗中以不同的車速在不同的路面上行駛，路面對車子的激勵在任一時刻都無法用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)，這些激勵為隨機激勵。車身上因激勵所體現(xiàn)出的振動自然也無法表達(dá)，稱為隨機信號。由于隨機信號的無限性和不確定性，需要將其轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計性描述。通常采用功率譜密度（PSD，Power Spectrum Density）來描述隨機激勵或響應(yīng)隨頻率變化的特性[1,2]。

假設(shè)某結(jié)構(gòu)應(yīng)力功率譜密度為G(f)，則單位時間內(nèi)應(yīng)力幅值s穿過均值次數(shù)為：

式中：

ns—應(yīng)力范圍為s時的實際循環(huán)數(shù)。

式中：

T—隨機信號的作用時間；

p(s)—應(yīng)力的概率密度函數(shù)；

Ns—應(yīng)力范圍為ns時的壽命，可由S-N曲線獲取。

式中：

k、C—材料常數(shù)。

將式（5）、式（6）代入到式（4）中，可求出：

理論上，當(dāng)式（7）中的損傷D達(dá)到1時，即表示結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞。

應(yīng)力的概率密度函數(shù)p(s)的選擇不同，計算出的損傷值也會有差異。目前有幾種理論用于p(s)的預(yù)測，包括Lalanne、Dirlik、Narrow Band和Steinberg四種，以Dirlik提出的近似范圍分布最為著名，應(yīng)用也最為廣泛，該理論假設(shè)p(s)是一個指數(shù)分布和一個瑞利分布的組合[3]。

3.2 信號采集與處理

通過節(jié)2的分析，初步判定該水泵支架是由于一階模態(tài)固有頻率較低導(dǎo)致路試過程中發(fā)生了共振引起疲勞開裂。為了進(jìn)行振動疲勞分析，首先需要準(zhǔn)確獲取支架在各路面上的振動特性，即要采集其安裝點附近的加速度信號。根據(jù)該水泵的安裝狀態(tài)，在進(jìn)行加速度測試時，分別在動總端和支架上布置了加速度傳感器，動總端加速度傳感器如圖6所示。

圖6 動總端加速度傳感器安裝位置

本文采用nCode軟件中的Glyph模塊對采集的21條路面信號進(jìn)行截斷、轉(zhuǎn)換等處理以用于后續(xù)分析，某比利時路面信號處理流程及結(jié)果如圖7所示。

圖7 某比利時路面信號處理流程及結(jié)果

3.3振動疲勞分析

在節(jié)2.3.2模態(tài)分析有限元模型的基礎(chǔ)上，將兩個螺栓安裝點用RBE2連接，于其主節(jié)點上分別沿X、Y、Z三個方向施加1 g的單位加速度激勵，如圖8所示。頻率范圍設(shè)置為0~200 Hz，阻尼系數(shù)定為0.05。在頻響分析完成后，可以得到水泵支架不同頻率下的響應(yīng)。

圖8 水泵支架頻率響應(yīng)分析模型

至此，已經(jīng)獲取到真實的PSD數(shù)據(jù)以及支架的頻率響應(yīng)，接下來在nCode軟件中進(jìn)行振動疲勞分析。由于路面數(shù)量較多，本文采用duty cycle的形式對各個路面的PSD進(jìn)行組合后再進(jìn)行疲勞分析，疲勞分析流程如圖9所示。

圖9 nCode振動疲勞分析流程

水泵支架疲勞損傷結(jié)果如圖10所示，最大損傷4.2，且位于安裝點P2周圍，按照耐久路試測試標(biāo)準(zhǔn)該支架壽命在1 800 km左右，與路試試驗結(jié)果接近。觀察兩個樣件的開裂位置，可以發(fā)現(xiàn)支架斷裂缺口靠近P2的位置斷面較為平整，而其他位置像一次脆斷，顯得粗糙一些。結(jié)合疲勞分析結(jié)果，可以斷定該支架在路試過程中發(fā)生了共振，裂紋先在P2周圍萌生，再向周邊位置擴展，最后引發(fā)疲勞失效。且利用nCode中的工具，可以識別出比利時路、共振路、卵石路等路面對該處損傷貢獻(xiàn)最大，且均為Y向。結(jié)合水泵支架的模態(tài)振型，可以完整的復(fù)現(xiàn)該支架的開裂原因。

圖10 水泵支架疲勞分析結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

通過上述分析已經(jīng)確定水泵支架的開裂屬于共振導(dǎo)致的疲勞失效，為此需要進(jìn)行強化設(shè)計以提高該零件的可靠性。經(jīng)節(jié)2.3的結(jié)構(gòu)分析可知，該支架由于布置的限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在缺陷：①P2點受力較大，但缺少足夠的支撐；②支架中間的小加強筋位置距P2點較近，阻礙了支架的變形，導(dǎo)致應(yīng)力集中。對此，對原支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖11(a)所示。對優(yōu)化后的支架再次進(jìn)行疲勞分析，損傷降至0.000 9，如圖11(b)所示。

圖11 優(yōu)化后的水泵支架

對優(yōu)化后的支架，再次搭載整車進(jìn)行試驗，在接下來兩輪次的路試過程中均未發(fā)生開裂，說明優(yōu)化方案有效地解決了開裂問題。

5 結(jié)論

對水泵支架路試過程中出現(xiàn)的開裂問題，經(jīng)工藝裝配檢查、材料金相分析、有限元強度分析，并未發(fā)現(xiàn)異常，推測是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致。對支架進(jìn)行了模態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)一階固有頻率僅23 Hz，容易產(chǎn)生共振并引發(fā)疲勞失效。為證實該判斷，在采集支架基座加速度信號后進(jìn)行振動疲勞分析，發(fā)現(xiàn)最大損傷4.2，位于P2安裝點周圍，且與試驗開裂位置一致，推算壽命與試驗開裂里程也比較接近，較好地復(fù)現(xiàn)了支架的開裂原因。

最后，對支架進(jìn)行加翻邊等強化設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)本身強度。優(yōu)化后的支架一階模態(tài)固有頻率30 Hz，最大損傷降至0.000 9。且經(jīng)過兩輪次的整車搭載驗證，未出現(xiàn)新的開裂。說明，問題排查思路和優(yōu)化方案準(zhǔn)確有效，對相似支架的設(shè)計及優(yōu)化提供科學(xué)參考。