振動激勵下路面養護車輔油箱開裂問題分析

□ 伍麗娜 □ 陳 韜 □ 張 凱

1.中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司 武漢 430056 2.中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300

1 分析背景

路面養護車作為城市人行道、非機動車道等狹小區域路面清潔的專用車輛,具有機動靈活、作業效率高、能實現定點去污等特點,被廣泛應用于城市道路保潔作業領域。在路面養護車中,為使油箱避開高溫區域,作為動力源的車載輔助汽油機與油箱采用分離式布置。為增加連續作業時間,采用大容積輔油箱代替原裝油箱。在使用過程中,車載輔油箱四個邊角位置經常出現開裂滲油現象,如圖1所示。通過初步分析,排除輔油箱自身焊接質量問題。造成輔油箱開裂的原因主要為振動。當系統固有頻率與激振頻率接近時,會發生共振。在共振下運行,結構會劇烈振動,機械結構受到破壞。

針對燃油箱抗振動性能問題,國內外學者從受阻振動、振動耐久性試驗、焊縫振動疲勞等方面展開一系列研究。孫釗等[1]為研究燃油箱振動耐久性試驗中半箱油對燃油箱結構的影響,采用流固耦合方法進行阻尼振動分析。李駿等[2]應用有限元技術對燃油箱進行結構強度分析,提出了燃油箱結構的改進建議。董步軍等[3]基于流固耦合虛擬質量法,建立油箱有限元模型,得出油箱焊縫振動疲勞的損傷值,對油箱進行優化改進。綜合現有文獻,對引起振動疲勞破壞的根源問題研究仍不多。

▲圖1 輔油箱開裂現象

路面養護車輔油箱位置振動源主要有三個方面。一是行駛過程中,在路面激勵下產生的隨機振動傳遞至輔油箱位置。二是行駛過程中,底盤發動機振動激勵傳遞至車身,進而傳遞至輔油箱位置。三是清潔作業中,車載輔助汽油機工作振動傳遞至輔油箱位置。路面養護車振動源分析如圖2所示。

▲圖2 路面養護車振動源分析

筆者針對路面養護車行駛作業狀態下的振動過程,基于路面養護車作業特點及振動源,結合振動分析基礎理論,應用有限元軟件建立路面養護車輔油箱振動模塊有限元模型,以振動仿真手段對路面養護車輔油箱開裂問題進行分析,得出輔油箱振動模塊設計薄弱位置,進行結構優化設計,以解決輔油箱開裂問題。

2 振動分析基礎理論

2.1 模態分析

自由模態是機械結構的固有振動特性,模態分析是研究結構動力特性的一種基本方法。采用模態分析,將線性不變系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標,方程組解耦后成為一組以模態坐標與模態參數進行描述的獨立方程。坐標變換矩陣為振型矩陣,矩陣中每列為各階振型。模態分析應用時,建立結構動態響應預測模型,用于結構的動強度設計及疲勞壽命估計[4-7]。

對于具有n自由度的結構,靜態下無阻尼振動平衡方程為:

(K-λM)X=0

(1)

λ=ω2

(2)

ω=2πf

(3)

式中:K為結構剛度矩陣;λ為特征值;M為質量矩陣;X為振動位移向量;ω為系統固有圓頻率;f為頻率。

在計算結構模態時,采用蘭喬斯法求解式(1)特征值,可以得到振動方程的n個特征值,從而根據得到的系統的n個固有頻率求解n個特征值對應的特征向量。這些特征向量構成一個線性空間的一組正交基,即為系統的主振型或主模態,所求解結構模型的變形均可以由這組正交基的線性疊加來表示。

2.2 諧響應分析

諧響應分析用于確定線性結構在承受載荷隨時間按正弦規律變化時的穩態響應,分析的目的是計算出結構在幾種頻率下的響應。通過諧響應分析,可以獲取系統在特定載荷下所激發出的固有頻率和薄弱部位,幫助設計人員預測結構的持續動力特性,從而使設計人員能夠驗證設計的結構能否克服共振、疲勞,以及其它受迫振動引起的有害結果。諧響應分析有三種求解方法:完全法、縮減法、模態疊加法。模態疊加法相比其它兩種方法,可以根據結構的固有頻率進行計算疊加,計算系統結構對頻率的響應[8-11]。

對于一般連續性結構,隨機干擾下的運動方程為:

(4)

X(t)=φsin(ωt)

(5)

在簡諧振動系統中,忽略系統阻尼,則式(4)可簡化為:

X(t)[K-Mω2]=F(t)

(6)

3 激勵計算

3.1 發動機激勵頻率

理論上,發動機每個工作循環曲軸轉動兩圈。單缸機每個工作循環點火爆炸一次,四缸機每個工作循環點火爆炸四次。對于單缸機,發動機每旋轉兩次,振動一次。對于四缸機,發動機每旋轉一次,振動兩次。由此,推導發動機振動頻率計算式為:

(7)

式中:Fr為發動機振動頻率;N為發動機轉速;Z為發動機缸數;P為發動機沖程數。

3.2 輔助汽油機激勵頻率

路面養護車車載輔助汽油機為單缸、四沖程,技術參數見表1。將參數代入式(7),計算得輔助汽油機振動頻率范圍為7.5～30 Hz。

表1 輔助汽油機技術參數

3.3 路面隨機激勵

按照GB/T 7031—1986《車輛振動輸入 路面平度表示方法》,將路面分為八級。文獻[12-13]從行車舒適性角度研究了路面不平度的分級,以行車舒適性界限對路面不平度進行了重新劃分。路面不平度系數范圍見表2。

表2 路面不平度系數范圍

路面養護車行駛場景為城市道路,取車速為20 km/h,選擇A級路面作為路面激勵輸入參考。

時間頻率下的路面不平度加速度功率譜密度函數為:

(8)

根據已知條件,式(8)可簡化為:

(9)

根據式(9)擬合出路面養護車行駛工作狀態下基于路面激勵的加速度功率譜密度曲線,如圖3所示。圖3中,g為重力加速度。

▲圖3 路面養護車加速度功率譜密度曲線

各頻率下的加速度計算式為:

(10)

式中:σ加速度均方根;f1為初始頻率;f2為終止頻率。

根據已知條件,由式(10)計算得到各頻率下的加速度,見表3。

表3 各頻率下加速度

4 系統振動模型

采用建模軟件建立輔油箱振動模塊幾何模型,如圖4所示。將模型簡化后,導入有限元分析軟件。考慮燃油對油箱結構特性的影響,基于虛擬質量法,將燃油質量作為虛擬質量,以質量單元形式直接添加至油箱結構,并添加邊界條件與約束,建立輔油箱振動模塊有限元模型,如圖5所示。

▲圖4 輔油箱振動模塊幾何模型

▲圖5 輔油箱振動模塊有限元模型

在有限元模型中,對安裝底架添加固定約束。在發動機及高壓水泵安裝座孔位置處以汽油機振動頻率范圍為頻率幅值,結合GB 18296—2019《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗方法》標準要求,添加縱向向上3g加速度正弦載荷。

5 模態分析

對輔油箱振動模塊有限元模型進行模態分析,獲得系統在自由狀態下的振型。一般低階時振型對結構動態響應比較大,因此在分析過程中選取前四階,振型如圖6所示,固有頻率見表4。

表4 輔油箱振動模塊自由模態前四階固有頻率

由圖6可以看出,輔油箱位置振幅較大,振型表現為z軸方向起伏[14-17]。

6 振動分析

路面養護車在行駛作業狀態下,主要的振動激勵源有路面不平度、底盤發動機、輔助汽油機。

▲圖6 輔油箱振動模塊自由模態前四階振型

路面養護車底盤發動機為四缸、四沖程,技術參數見表5,計算可得底盤發動機在正常行駛狀態下的激勵頻率為83.3 Hz,與輔油箱振動模塊自由模態下的前四階頻率進行對比,底盤發動機的激勵頻率不會使系統產生共振。

表5 底盤發動機技術參數

由此,主要分析路面養護車行駛作業狀態下由于路面不平度、輔助汽油機振動激勵所引起的輔油箱振動模塊的振動。

結合輔助汽油機頻率響應分析結果,基于A級路面激勵輸入,對輔油箱振動模塊進行頻率響應分析,應力云圖如圖7所示。在頻率響應分析中,5 Hz低頻下輔油箱應力最大值為213.4 MPa,位于輔油箱邊角位置,該位置單元應力隨頻率變化曲線如圖8所示。輔油箱隨機振動分析應力云圖如圖9所示。由圖9可以看出,輔油箱應力最大值為242.7 MPa,位于輔油箱邊角位置。

▲圖7 輔油箱振動模塊頻率響應分析應力云圖

▲圖8 應力最大位置單元應力隨頻率變化曲線

▲圖9 輔油箱振動模塊隨機振動分析應力云圖

燃油箱材料一般為奧氏體不銹鋼,經過沖壓成形。奧氏體不銹鋼的抗拉強度不低于760 MPa。輔油箱振動模塊中,輔油箱邊角位置為薄弱位置。一般情況下,采用材料抗拉強度的20%作為隨機振動分析結果的安全性判定標準[18-20]。由上述分析可見,輔油箱未達到隨機振動分析安全性判定標準。

7 結構改進

7.1 改進方案

振動分析結果表明,輔油箱四個邊角位置出現最大應力。通過對自由模態下各振型進行分析,系統三階振型顯示出輔油箱振動模塊的薄弱位置。由此,針對原結構提出改進方案,如圖10所示。

▲圖10 輔油箱振動模塊結構改進方案

7.2 有限元驗證

為驗證改進方案的有效性,在施加同樣邊界約束與載荷下對改進模型進行振動分析。改進后頻率響應分析應力云圖如圖11所示。5 Hz低頻下應力最大值為71.53 MPa,位置與原結構相同。該位置單元應力隨頻率變化曲線如圖12所示。改進后隨機振動分析應力云圖如圖13所示,應力最大值為77.90 MPa,位置與原結構相似。改進模型仿真分析結果表明,輔油箱振動模塊最大應力明顯減小,且處于安全范圍內,改進后輔油箱振動模塊振動性能得到了改善。

▲圖11 改進后輔油箱振動模塊頻率響應分析應力云圖

▲圖12 改進后應力最大位置單元應力隨頻率變化曲線

▲圖13 改進后輔油箱振動模塊隨機振動分析應力云圖

8 結束語

筆者結合振動分析基礎理論,針對路面養護車輔油箱開裂問題,借助有限元分析軟件,以正常行駛作業狀態為重點,通過振動源分析得到各振動激勵源,進行隨機振動仿真分析,依據仿真結果提出改進方案,并對改進方案的有效性進行驗證。

隨機振動分析結果顯示輔油箱振動模塊最大應力位置出現在輔油箱邊角,且最大應力不符合安全性判定標準,仿真結果與實際情況相符合。

改進方案能夠有效減小輔油箱振動模塊的應力,并且使最大應力符合安全性判定標準。

通過分析可知,在行駛工況下進行振動分析時,需要考慮路面及車載動力雙重振動激勵源對車身造成的破壞。