發動機ECU?架CAE分析及優化

涂??　林??　侯路　羅?

摘要：某輕卡?型在可靠性壞路路?負荷試驗中發?發動機ECU?架斷裂問題，經查為ECU?架未按照設計要求進?焊接，導致?階模態與整?怠速頻率較為接近，?架發?振動疲勞失效。調件換裝滿?設計要求的?架進?路試再次發?振動疲勞失效，針對發?的?架開裂問題進?詳細解析，并通過仿真分析制定優化?案并在臺架試驗上進?驗證，最終解決?架開裂問題。

關鍵詞：ECU?架;失效;仿真分析;臺架驗證

中圖分類號：U464 收稿?期：2022-01-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.06.004

1 問題描述某輕卡?型在耐久路試中出現發動機ECU?架斷裂現象，故障?程為12 000 km（試驗要求達到25 000 km），查看故障件發現?架底部安裝板位置焊縫與設計狀態不?致，如圖1所?。

初步判定為供應商未按照圖紙設計要求進?焊接，導致發動機ECU?架模態、強度及剛度性能?幅下降，耐久試驗出現斷裂。與供應商溝通協調后，調換按照圖紙設計要求的?架進?換裝試驗，換裝后試驗進??8 000 km后，發動機ECU?架再次發?開裂，如圖2所?。

針對此發動機ECU?架斷裂問題展開詳細解析。

2 發動機ECU?架斷裂解析對發動機ECU?架進?強度模態分析。模型建?：有限元模型僅包含發動機ECU?架、部分?架、ECU。其中ECU?架、?架采?5 mm的殼單元?格，發動機ECU使?mass點進?配重。?架使?08AL材料，料厚為3.0 mm，?架使?DL510材料，料厚為6.0 mm，螺栓孔均使?RBE2連接。使?整?坐標系，按照右?法則，+X指向?尾?向，+Y指向?右側，+Z指向?上?，如圖3所?。

模態分析：約束所截取?架邊界123456?由度，提交求解器Optistruct進?模態計算。計算結果前三階模態，發動機ECU?架下底板半焊和滿焊的?階模態如圖4所?。

強度分析：分別計算制動（X-1gZ-1g）、轉向（Y0.6gZ-1g）、上跳（Z-3g）?況下?架的應?情況。計算結果如圖5所?。

分別測試半焊樣件狀態和原設計?案狀態搭載在整?狀態下的實際模態。將仿真分析的模態、強度分析結果和實測模態匯總如表1所?。

由表1可看出仿真分析的模態結果與試驗實測結果偏差較?，推斷主要原因為仿真分析中未考慮ECU與?架間的軟墊，因此連接軟墊剛度在設計中未進?定義，設計部??法給出剛度值，故前期仿真分析校核時未進?建模。此連接軟墊在仿真中使?CBUSH單元進?模擬，通過調整軟墊剛度對仿真模型進?修正。修正后將模態、強度結果匯總如表2所?。

通過表1和表2對?可知，模型修正后仿真和試驗的前兩階模態偏差值較小。強度分析結果在修正前后差別不?。

解析第?次?架斷裂：在制動、轉向、上跳?況下最?應?值均遠小于強度判定標準（ 材料的抗拉強度×0.4=108 MPa）;?階實測模態為26 Hz，與整?怠速頻率存在重疊，推斷失效原因可能為怠速共振失效。

解析第?次?架開裂：在制動、轉向、上跳?況下最?應?值均遠小于強度判定標準（ 材料的抗拉強度×0.4=108 MPa）;?階實測模態為40 Hz，與整?怠速頻率相距較遠，排除了怠速共振失效的可能。推測失效原因可能是ECU?架位于發動機前懸置安裝點附近，發動機某常?轉速下與ECU?架形式共振。

3 優化對策在修正模型的基礎進??案優化，制定優化對策：優化?案1為肋板延??底板邊緣，且底板增加2 mm墊板，如圖6所?。優化?案2為板延??底板邊緣，且底板增加2 mm墊板，同時材料變更為DL510。

優化?案1、優化?案2的?階模態由40.4 Hz提升?46.3 Hz。匯總模態和強度分析結果如表3所?。

疲勞仿真分析：建?頻響分析模型，在截取?架邊界位置分別加載1g的X、Y、Z三?向的加速度激勵，掃頻范圍為1～200 Hz。同時以實?采集的發動機ECU?架安裝位置處?架的加速度激勵為輸?建?疲勞仿真模型。各?案疲勞壽命分析結果如圖7所?。

4 臺架試驗驗證

試驗?況的制定：使?上?所搭建的疲勞仿真分析模型，分別以XYZ向激勵、單獨X向激勵、單獨Y向激勵、單獨Z向激勵作為輸?計算損傷占?，計算結果如圖8所?。由分析結果可知，Y向激勵損傷占絕對主導，故臺架試驗僅進?Y向加載。

將原設計?案、優化?案1、優化?案2分別按照制定的?況進?臺架試驗。

ECU?架總成和ECU軟墊連接固定，并通過?裝固定在電磁振動臺上，ECU?架總成底板與?裝接觸寬度保持與實際裝配寬度?致，樣件試驗采?Y向隨機振動。振動信號使?實?采集的發動機ECU?架安裝位置處?架的加速度激勵，觀察振動過程中發動機ECU?架總成是否出現斷裂。樣件固定及加載?式如圖9所?。

分別完成原設計?案樣件、優化?案1樣件、優化?案2樣件試驗后將試驗結果匯總如表4所?。

由試驗結果可知，原設計?案樣件斷裂位置和失效?式與整?耐久試驗完全?致，故可根據臺架振動試驗時?和整?耐久試驗?程建?量化關系，即臺架試驗8 h等效于整?耐久試驗8 000 km。通過等效換算，優化?案1 可滿?整?耐久?程23 333 km。臺架振動試驗中?架失效位置為?板位置，且靠近肋板上沿位置。失效位置與整?耐久試驗不?致，分析原因為下部底板加強后，ECU?架的薄弱點發?轉移。優化?案2因?裝夾具損壞，試驗未達到破壞，但可確定優化?案2可滿?整?耐久?程45 750 km以上。

5 結語

通過臺架試驗驗證可知，優化?案1等效整?耐久?程23 333 km，不滿?25 000 km的耐久?程要求。若采??案1需將肋板上延，并重新制作樣件驗證。優化?案2可滿?整?25 000 km的耐久?程要求。綜合考慮各??因素，最終選擇優化?案2為最終對策?案。

此類?架的模態和強度的仿真分析判定標準為：?階模態≥30 Hz;制動、轉向、上跳各?況的最?應?<0.4×材料的抗拉強度。但在本案例中，發動機ECU?架的原設計?案狀態滿?此判定基準。實際裝?進?整?耐久性試驗時仍發??架開裂問題（第?次換裝原設計?案狀態樣件進?驗證）。對于第?次整?耐久試驗?架開裂，?前推測為?架安裝位置（如動?總成）存在30 Hz以上的振動激勵，導致此?架發?共振，并發?振動疲勞失效。而在數據設計階段要避免此類問題的發?，除了要滿?基本的模態強度要求外還需對整?各系統的模態分布進?規劃，通過搭建整?NVH模型并進?仿真分析，避免相鄰系統零部件產?共振。

作者簡介：涂??，男 ，1988年?，?程師，研究?向為?輛被動安全。1BC97061-43C9-4F96-AE78-52F8B3DA5AE7