景晶

(國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海)，上海 201805)

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發(fā)動(dòng)機(jī)支架的疲勞試驗(yàn)及可靠性分析

景晶

(國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海)，上海 201805)

由于汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)愈加復(fù)雜，同時(shí)開(kāi)發(fā)時(shí)間越來(lái)越短，因此在汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可靠性更加突出。以發(fā)動(dòng)機(jī)支架的疲勞試驗(yàn)為例，簡(jiǎn)單介紹機(jī)械可靠性試驗(yàn)。通過(guò)符合實(shí)車(chē)狀態(tài)的臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)合有限元分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，為產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。

可靠性；疲勞試驗(yàn)；有限元分析；威布爾分布

0　引言

如今，當(dāng)說(shuō)到一個(gè)產(chǎn)品的功能時(shí)，可靠性這個(gè)詞是經(jīng)常被提到的?？煽啃允侵府a(chǎn)品在一定的工作環(huán)境下、在一定的時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)失效的概率。概率只能用數(shù)字來(lái)表達(dá)，這樣可靠性就涉及了產(chǎn)品的失效行為，也是評(píng)價(jià)產(chǎn)品的重要指標(biāo)。

目前，在汽車(chē)零部件的可靠性分析中，主要以工程試驗(yàn)為主，其目的在于暴露產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷，及時(shí)采取糾正措施加以排除。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，可靠性分析實(shí)施得越早，利潤(rùn)成效就越顯著。可靠性試驗(yàn)可以分為電子可靠性試驗(yàn)和機(jī)械可靠性試驗(yàn)。相對(duì)于比較成熟的電子可靠性試驗(yàn)，機(jī)械可靠性試驗(yàn)還存在一些難點(diǎn)：首先，很難獲得較大容量的樣本，并且費(fèi)資、費(fèi)力，試驗(yàn)周期長(zhǎng)；其次，影響機(jī)械失效的原因很多，不僅與應(yīng)力因素有關(guān)，還取決于環(huán)境因素；最后，機(jī)械可靠性理論難度大，機(jī)械產(chǎn)品的零部件大多是耗損性失效為主。

文中借助發(fā)動(dòng)機(jī)支架的疲勞試驗(yàn)，對(duì)機(jī)械可靠性試驗(yàn)做了簡(jiǎn)單的介紹。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)合有限元分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)支架的作用：(1)固定發(fā)動(dòng)機(jī)；(2)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)傳遞到車(chē)架上。它對(duì)加工精度的要求很高，這樣才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，從而提高汽車(chē)的綜合性能。

為了真實(shí)反映車(chē)輛行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)支架的受力狀況，參考發(fā)動(dòng)機(jī)支架的實(shí)車(chē)裝配情況，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)支架Z向的受力及邊界約束示意圖，如圖1所示。

在支架與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的螺栓位置施加±5 000N的載荷，正弦波形，頻率10Hz，方向沿Z軸。約束方法是將發(fā)動(dòng)機(jī)支架通過(guò)螺栓固定在剛性的平板上，安裝扭矩為60N·m，保持與實(shí)車(chē)狀態(tài)一致。為了研究需要，該疲勞試驗(yàn)將持續(xù)至樣件出現(xiàn)可見(jiàn)的裂紋為止(判定樣件失效的依據(jù))。

2　有限元分析

有限元分析實(shí)質(zhì)上是把具有無(wú)限自由度的連續(xù)系統(tǒng)，近似等效為只有有限自由度的離散系統(tǒng)，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的數(shù)學(xué)問(wèn)題。文中選用了UGNX軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行有限元分析。

2.1模型的建立

第1步，利用Modeling模塊建立發(fā)動(dòng)機(jī)支架的三維模型；第2步，對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，類(lèi)型是十節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為4.0mm，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為59 678，總單元數(shù)為36 682；第3步，設(shè)定材料參數(shù)，文中發(fā)動(dòng)機(jī)支架的材料為鋁合金，其材料參數(shù)設(shè)定如下：密度為2.66×103kg/m3，彈性模量為7.2×104MPa，泊松比為0.33，材料類(lèi)型為各向同性；第4步，施加載荷與約束，在支架與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的螺栓位置施加載荷，載荷大小為±5 000N，方向沿Z軸；在支架與車(chē)身連接的螺栓位置施加約束，使其在各個(gè)方向的位移均為0，見(jiàn)圖2。

2.2計(jì)算求解

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)支架的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3，從中能獲取應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并直觀地發(fā)現(xiàn)零件上高應(yīng)力的集中區(qū)域。

在局部放大的云圖(圖4)中，可以清晰地看出該支架的高應(yīng)力區(qū)集中分布在與車(chē)身連接的螺栓孔附近，最大的VonMises應(yīng)力值為228.9MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.819×10-3。

通過(guò)以上的計(jì)算和分析，可以基本掌握該發(fā)動(dòng)機(jī)支架受力時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定了疲勞試驗(yàn)中最可能出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。

3　疲勞試驗(yàn)可靠性分析

3.1疲勞壽命數(shù)據(jù)

研究人員每隔1h，對(duì)疲勞試驗(yàn)中的發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)裂紋，即終止試驗(yàn)并記錄下出現(xiàn)裂紋時(shí)的循環(huán)次數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

裂紋照片見(jiàn)圖5，可以看到裂紋位置與有限元分析的結(jié)果基本一致。

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的威布爾分布

威布爾分布是在機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的壽命分布，它也是可靠性分析的理論基礎(chǔ)。

此研究中，首先要驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞壽命數(shù)據(jù)是否服從含有未知參數(shù)的威布爾分布，采用Van-Montfort提出的統(tǒng)計(jì)量：

(1)

其次，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞壽命數(shù)據(jù)服從威布爾分布，即：

(2)

式中：b是形狀參數(shù)；T是特征壽命。對(duì)于子樣容量為n，其中包含r(r≤n)個(gè)壽命數(shù)據(jù)x1≤x2…≤xr的樣本，可以采用極大似然法估計(jì)威布爾分布中的參數(shù)：

(3)

按照式(1)和式(3)計(jì)算，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞壽命數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的中位秩，見(jiàn)表2。

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞壽命數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的中位秩

表3中，假設(shè)α=0.10，可以推斷發(fā)動(dòng)機(jī)支架的疲勞壽命服從威布爾分布，并得到相應(yīng)形狀參數(shù)b和特征壽命T。發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞壽命的威布爾分布曲線見(jiàn)圖6。

表3　發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

壽命標(biāo)準(zhǔn)差σ為：

4　結(jié)論

涉及機(jī)械零部件失效行為的文獻(xiàn)資料并不是很多，但是理解零件的失效行為對(duì)做出在相似條件下的可靠性預(yù)測(cè)是必要的。

結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)及有限元分析的結(jié)果(其優(yōu)點(diǎn)在于縮短了疲勞試驗(yàn)周期，提高了研究效率)，通過(guò)計(jì)算威布爾分布，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架的可靠性進(jìn)行了分析，從而闡述了可靠性試驗(yàn)在汽車(chē)零部件試驗(yàn)中的應(yīng)用。通過(guò)有限元分析，可以找出應(yīng)力集中點(diǎn)，確定樣件在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的失效區(qū)域；通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，可以得到疲勞壽命數(shù)據(jù)；依據(jù)疲勞壽命數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析(威布爾分布或者其他分布的計(jì)算)，可以預(yù)測(cè)樣件的壽命或可靠性，這就為產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)提供了判斷依據(jù)。

【1】王霄鋒.汽車(chē)可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.

【2】曹建永.轎車(chē)副車(chē)架的路譜試驗(yàn)及可靠性分析[J].工程與試驗(yàn),2012,52(2):20-22.

【3】BerndBertsche.汽車(chē)與機(jī)械工程中的可靠性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

【4】張泓.4G1發(fā)動(dòng)機(jī)支架疲勞性能分析研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2006.

【5】陳棟華,靳曉雄,周鋐,等.轎車(chē)底盤(pán)零部件耐久性虛擬試驗(yàn)方法研究[J].汽車(chē)工程,2008,29(11):998-1001.

FatigueTestandReliabilityAnalysisforEngineBracket

JINGJing

(NationalCenterofSupervision&InspectiononMotorVehicleProductsQuality(Shanghai),Shanghai201805,China)

Sincethedesignofautoproductsismoreandmorecomplicated,whiledevelopmentperiodbecomeshorter,reliabilitywillbemoreoutstandinginthedesignofautoproducts.Takingthefatiguetestofanenginebracketasanexample,themechanicalreliabilitytestwasbrieflyintroduced.Throughbenchtestinlinewithrealvehiclestate,withFEA,reliabilityanalysistothetestdatawasmade.Itprovidesbasisfortheoptimizationoftheproduct.

Reliability;Fatiguetest;FEA;Weibulldistribution

2015-03-24

景晶(1983—)，男，工程師,主要研究方向?yàn)槠?chē)底盤(pán)零部件耐久試驗(yàn)。E-mail:jingj@smvic.com.cn。