王友成,張亞洲,陳亮,王英杰,姚巍
(安徽江淮汽車動力研究院,安徽 合肥 230601)
基于Pro/mechanica的某發(fā)動機(jī)三元催化器支架疲勞分析及優(yōu)化
王友成,張亞洲,陳亮,王英杰,姚巍
(安徽江淮汽車動力研究院,安徽 合肥 230601)
介紹了汽車發(fā)動機(jī)上三元催化器支架的重要性,說明了保證支架的疲勞壽命的必要性。針對此支架臺架試驗(yàn)發(fā)生的斷裂問題,利用Pro/mechanica有限元分析對支架進(jìn)行疲勞分析,進(jìn)而提出優(yōu)化建議,并對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。
三元催化器;斷裂;支架;疲勞;優(yōu)化
CLC NO.:U463Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-27-04
某款發(fā)動機(jī)在臺架實(shí)驗(yàn)過程中,三元催化器支架發(fā)生斷裂,如圖1。此支架屬于汽車關(guān)鍵零部件,它聯(lián)接著三元催化器和發(fā)動機(jī)缸體。一旦斷裂,三元催化器將處于自由狀態(tài),很容易被振動破壞掉,將產(chǎn)生無法預(yù)料的危險。另外在整車上此支架發(fā)生斷裂,更換支架需要先從整車上拆下發(fā)動機(jī),然后才能拆卸發(fā)動機(jī)外圍件,整個操作費(fèi)事費(fèi)力。因此支架的設(shè)計(jì)可靠性及壽命必須要滿足。
材料的變形與斷裂是受到外力作用時所表現(xiàn)出的力學(xué)行為,常用的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、剛度以及疲勞性能等。疲勞是結(jié)構(gòu)失效最主要的原因。零件在交變載荷下經(jīng)較長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。
疲勞斷裂屬于低應(yīng)力脆斷,斷裂時的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料靜載下的抗拉強(qiáng)度,另外斷裂前無論是韌性還是脆性材料均無明顯的塑形變形,是一種無預(yù)兆、突然發(fā)生的脆性斷裂,故而危險性極大[1]。
采用有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析在工程應(yīng)用技術(shù)中或大或小都存在誤差,它是一門近似正確的技術(shù),得出的結(jié)果還要經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證[2]。但疲勞分析的結(jié)果可以找出零件的薄弱結(jié)構(gòu),為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。
本文應(yīng)用Pro/mechanica對此款三元催化器支架進(jìn)行疲勞特性分析,根據(jù)分析結(jié)果,提出改進(jìn)建議,并對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次分析驗(yàn)證。保證理論的疲勞特性后,才進(jìn)行加工制作,然后再進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證。
Pro/mechanica是pro/engineer軟件的一個CAE模塊??梢灾苯臃奖愕挠?jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、變形等特性,模擬產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的行為。Pro/mechanica與Pro/engineer軟件數(shù)據(jù)共享可以實(shí)現(xiàn)無縫集成,不用擔(dān)心因?yàn)榉治瞿P偷母袷睫D(zhuǎn)換而造成數(shù)據(jù)丟失,可在單一的環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化計(jì)算工作。缺省情況下,Pro/mechanica以P方法對模型自動劃分網(wǎng)格,P方法能夠比較精確的擬合幾何形狀,這種單元的應(yīng)力變形方程為多項(xiàng)式,最高階次能夠達(dá)到九階,因?yàn)榭梢跃_的擬合大應(yīng)力梯度[3]。
使用Pro/mechanica進(jìn)行疲勞分析一般遵循以下流程:
1)幾何實(shí)體建模。在pro/e中建立分析對象,定義材料參數(shù)、約束條件及載荷。
2)有限元網(wǎng)格劃分。默認(rèn)使用四面體單元對三維模型進(jìn)行劃分,然后檢查網(wǎng)格。
3)計(jì)算分析。在進(jìn)行疲勞分析之前,要先定義靜態(tài)分析,為了獲得有效的疲勞分析結(jié)果,還必須指定模型材料的疲勞特性。
4)結(jié)果顯示。建立分析結(jié)果窗口,以圖形的方式對不同指標(biāo)進(jìn)行查看。
2.1 有限元模型建立
圖2為支架的安裝圖,由安裝結(jié)構(gòu)可知,支架主要承載著來自三元催化器振動而產(chǎn)生的力,根據(jù)這種工況特點(diǎn),定義支架的約束為與缸體配合的兩個底孔,載荷來自于與三元催化器安裝的兩個螺栓孔,綜合經(jīng)驗(yàn)值及催化器廠家提供的載荷值,對支架施加兩個方向的載荷,載荷1為1000N,載荷2為2000N,如圖3。
支架材料為壓鑄鋁合金,泊松比為0.31,彈性模量為71GPa,屈服極限為315MPa,極限強(qiáng)度為435 MPa。
2.2 靜態(tài)結(jié)果分析
根據(jù)圖4的靜態(tài)應(yīng)力云圖可以看出,支架的整體應(yīng)力非常小,但底座兩個螺栓孔的位置應(yīng)力奇高,顯然這是應(yīng)力集中區(qū)域,最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的屈服強(qiáng)度,這和發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中,支架從此處斷裂是吻合的。
圖5所示的應(yīng)變圖,最大變形量發(fā)生在與三元催化器連接的兩個螺紋孔位置,最大變形為0.55mm,綜合圖4的應(yīng)力云圖可以知道,支架變形最大的地方,實(shí)際的應(yīng)力并不大。
2.3 疲勞結(jié)果分析
支架疲勞分析采用的是對稱循環(huán)應(yīng)力,恒定振幅,目標(biāo)壽命為107。一般經(jīng)過107次循環(huán)仍未疲勞,則再增加循環(huán)次數(shù),也不會疲勞,所以一般將107規(guī)定為永久壽命[4]。
日志壽命為模型破壞前的預(yù)估周期數(shù)。一般將壽命表示為對數(shù)形式。圖6為支架疲勞日志壽命,可以看出大部分區(qū)域的壽命為1020,但靜態(tài)分析顯示的兩個應(yīng)力集中部位壽命僅為100,顯然必須要改善這兩個應(yīng)力集中區(qū)域。
壽命置信度顯示計(jì)算出的壽命與目標(biāo)設(shè)計(jì)壽命之比,小于1的值表示失效,值大于3通常表示獲得所需目標(biāo)壽命的置信度是足夠的。圖7所示,支架的底部與缸體連接的部分對比其他部位,壽命置信度偏低,因此改進(jìn)設(shè)計(jì)時,應(yīng)對底部進(jìn)行優(yōu)化。
本支架為鑄件,設(shè)計(jì)時要考慮鑄件的工藝性,要考慮分型面的選擇問題,保證最大截面,便于起模;為了避免產(chǎn)生縮孔、縮松、冷隔、裂紋等鑄造缺陷,要確保零件的壁厚盡量均勻,壁的連接及交叉處要合理;為了保證鑄件的強(qiáng)度和剛度,并且能減小壁厚,要設(shè)置合適的加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋可以看成是鑄件的壁,其結(jié)構(gòu)也應(yīng)符合壁的連接、交叉原則[5]。
綜合疲勞分析結(jié)果以及鑄件的工藝特點(diǎn),對現(xiàn)有支架的修改建議如下:
1)修改靜態(tài)分析顯示出的兩個應(yīng)力集中區(qū)域;
2)支架與缸體連接的部分材料厚度要加厚,以改善其壽命置信度;
3)加強(qiáng)筋設(shè)置不當(dāng),要優(yōu)化加強(qiáng)筋的位置;
4)適當(dāng)?shù)募哟蟮箞A角保證平滑過渡,避免應(yīng)力集中。
對改進(jìn)后的支架進(jìn)行與前述相同的材料及工況設(shè)置,經(jīng)過靜態(tài)及疲勞分析,分析結(jié)果如下:
由圖8的靜態(tài)應(yīng)力結(jié)果可以看出,新結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為78.8MPa,遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度,并且零件整體應(yīng)力比較均勻,沒有應(yīng)力集中部位。由圖9的靜態(tài)應(yīng)變知改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的最大位移為0.32mm,低于改進(jìn)前的0.55mm,最大位移發(fā)生的位置與改進(jìn)前相同。
疲勞分析的結(jié)果顯示,改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的最低壽命為108,高于理論的永久壽命值107,如圖10所示。從圖11可以清楚看出,新結(jié)構(gòu)的壽命置信度為3,說明獲得所需目標(biāo)壽命的置信度是足夠的。
A fatigue analysis and optimization of engine three-way catalyst bracket based on Pro/mechanica
Wang Youcheng, Zhang Yazhou, WangYingjie, Yao Wei
(Anhui Jianghuai Aotumobile Technical Center Powertrain Academy, Anhui Hefei 230601)
this paper introduces the importance of the bracket on engine three-way catalyst,whose fatigue life must be guranteed. Aimed at the problem of fracture occurred in The engine bench test,fatigue analysis is carried out on the bracket by using the Pro/mechanica finite element analysis, than optimization of the recommendations is put forward, and the optimized structure finite element analysis is carried out again to verify.
three-way catalyst;fracture;bracket;Fatigue;Optimization
U463
A
1671-7988(2014)07-27-04
王友成,就職于安徽江淮汽車動力研究院,主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)進(jìn)排氣及正時系統(tǒng)。