某重型卡車空濾器過渡支架斷裂分析與優(yōu)化

賀洋洋，丁介然，王瓊，屈闖，徐信萬，李慧

（陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

重型卡車在行駛過程中，由于地面不平整、輪胎跳動以及發(fā)動機內(nèi)部組件運行的內(nèi)外部因素的出現(xiàn)，往往需要承受不同程度、不同類型的激勵[1]。即使在投入市場前已在試驗場對整車進行了一系列的強化路面測試驗證，但仍會有一些行駛于極其崎嶇道路的車輛發(fā)生內(nèi)部附件斷裂的現(xiàn)象。

1 三維模型的建立

空濾器過渡支架作為車身附件的重要組件，具有連接車架與空濾器的橋梁作用。現(xiàn)就過渡支架裝車行駛過程中出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象進行原因分析與優(yōu)化改進，過渡支架三維模型如圖1所示。圖（a）為原結(jié)構(gòu)，紅色線圈為過渡支架的實際斷裂區(qū)域，圖（b）為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，基于原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了兩方面的優(yōu)化改進：一是提高斷裂區(qū)域附近的截面，二是提高模型另一側(cè)的截面同時增加一條斜筋。

圖1 三維模型

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

首先基于三維軟件 CATIA的智能化測繪功能輸出空濾器結(jié)構(gòu)的質(zhì)心坐標(biāo)，其次將過渡支架及輔助支架另存為.stp格式文件導(dǎo)入到有限元軟件HyperMesh中，其中輔助支架為薄壁類部件，抽取中面后用Shell單元進行網(wǎng)格劃分[2]，過渡支架為鑄造件，用四面體網(wǎng)格進行劃分并轉(zhuǎn)二階。空濾器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，將其進行簡化建模，用集中質(zhì)量點代替空濾器結(jié)構(gòu)。

2.2 模型材料及分析工況

2.2.1 材料選用

空濾器過渡支架采用的材料為 RZG310-570，其密度為7860 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為310 MPa，抗拉強度為570 MPa。

2.2.2 邊界條件設(shè)置

約束與車架連接孔的6個自由度，在空濾器質(zhì)心處添加15 kg的質(zhì)量點，最后對創(chuàng)建好的有限元模型施加Z向-10 g的重力加速度進行有限元分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.3 原結(jié)構(gòu)有限元分析

通過 OptiStruct求解器進行求解得到過渡支架原結(jié)構(gòu)的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

由位移云圖可知，過渡支架原結(jié)構(gòu)最大位移為13.10 mm，位移較大；由應(yīng)力云圖可知，過渡支架最大應(yīng)力為346.28 MPa，最大應(yīng)力集中位置與實際斷裂區(qū)域完全吻合，且最小安全系數(shù)為0.9＜1。

2.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)有限元分析

在不改變材料參數(shù)及邊界條件的前提下，對優(yōu)化后的過渡支架進行有限元分析，得到的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖 4所示[3-4]。

圖4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

由位移云圖可知，過渡支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大位移為7.20 mm；由應(yīng)力云圖可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為208.03 MPa，最大應(yīng)力集中位置成功避開了實際斷裂區(qū)域，且最小安全系數(shù)為1.49＞1。

通過對比過渡支架原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大位移相比原結(jié)構(gòu)減小5.90 mm，剛度性能提升45%，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比原結(jié)構(gòu)減小138.25 MPa，最小安全系數(shù)相比原結(jié)構(gòu)提升66%。優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，滿足使用要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)合理。

3 結(jié)論

本研究通過有限元分析軟件HyperMesh建立了空濾器過渡支架的有限元模型，對其進行靜力學(xué)分析驗證，成功查找到了其斷裂的真實原因。根據(jù)分析結(jié)果在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進，并對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行有限元分析驗證，通過驗證表明了此優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。

通過對空濾器過渡支架的成功優(yōu)化，為類似支架優(yōu)化改進奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時也提供了一定的理論依據(jù)。