鄧?yán)冢锡垞P(yáng)，余顯忠，蔡志武，靖娟

(1.江鈴汽車(chē)股份有限公司,江西南昌 330052；2.江西省汽車(chē)噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330052；3.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330095)

某卡車(chē)防盜報(bào)警喇叭支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

鄧?yán)?,2，段龍揚(yáng)1,2，余顯忠1,2，蔡志武1，靖娟3

(1.江鈴汽車(chē)股份有限公司,江西南昌 330052；2.江西省汽車(chē)噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330052；3.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330095)

針對(duì)某卡車(chē)防盜報(bào)警喇叭支架在耐久試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)斷裂問(wèn)題，運(yùn)用CAE對(duì)該支架進(jìn)行故障驗(yàn)證分析，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案，最后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)構(gòu)。表明用有限元方法能夠有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)于同類(lèi)問(wèn)題的解決具有借鑒意義。

有限元；防盜報(bào)警喇叭支架；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；試驗(yàn)

0 引言

在某卡車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，多臺(tái)車(chē)在進(jìn)行45 000 km耐久試驗(yàn)時(shí)防盜報(bào)警喇叭支架出現(xiàn)開(kāi)裂。在對(duì)支架進(jìn)行制造、裝配、工藝等方面的檢查后，認(rèn)為該支架在設(shè)計(jì)方面存在問(wèn)題。為了縮短結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)間，掌握改進(jìn)方向，應(yīng)用CAE軟件對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，最后對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車(chē)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。

支架安裝在車(chē)架第一橫梁上，厚度為2.0 mm，所選材料為Q235。

1 故障的再現(xiàn)驗(yàn)證

此支架在進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)斷裂(如圖1所示)，初步認(rèn)為是試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞斷裂。文中運(yùn)用Altair的HyperMesh軟件進(jìn)行前處理，然后運(yùn)用MSC公司的Nastran軟件對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)頻率響應(yīng)分析，最后運(yùn)用Altair的HyperView進(jìn)行后處理。HyperMesh軟件是一個(gè)高性能的有限元分析前處理軟件，借助它可以快速地對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、并調(diào)節(jié)網(wǎng)格質(zhì)量，使其達(dá)到有限元的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。Nastran具有很高的軟件可靠性，品質(zhì)優(yōu)秀，得到有限元業(yè)界的肯定，眾多汽車(chē)公司在工業(yè)行業(yè)都用Nastran的計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)[3]。

圖1 支架開(kāi)裂圖片

運(yùn)用HyperMesh和Nastran相結(jié)合進(jìn)行有限元分析，得到原支架結(jié)構(gòu)在X、Y、Z3個(gè)方向?qū)?yīng)頻率下的最大應(yīng)力云圖。

1.1 建立有限元模型

運(yùn)用殼單元來(lái)模擬支架，喇叭以質(zhì)點(diǎn)的方式將質(zhì)量加到對(duì)應(yīng)位置，最后得到2 182個(gè)單元。

1.2 載荷及邊界條件的確定

約束與車(chē)架相連的部位。同時(shí)在約束部位施加加速度激勵(lì)，方向?yàn)閄、Y、Z3個(gè)方向，大小取1g加速度。

最終施加完載荷與邊界條件的模型如圖2所示。防盜報(bào)警喇叭以質(zhì)點(diǎn)形式模擬，在其質(zhì)心處生成一個(gè)Mass單元，質(zhì)量為0.4 kg。

圖2 支架有限元模型

1.3 材料屬性的定義

支架所用材料為Q235，彈性模量為206 GPa，材料密度為7.85×10-9t/mm3，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa。

1.4 分析結(jié)果

將建好的模型提交到求解器進(jìn)行計(jì)算，并讀取結(jié)果，由于在X向激勵(lì)下的應(yīng)力遠(yuǎn)大于Y、Z兩個(gè)方向，故只顯示X向激勵(lì)下的分析結(jié)果。

圖3 故障件應(yīng)力云圖

在31 Hz時(shí)，在前后方向(X向)1g加速度的激勵(lì)下支架斷裂處應(yīng)力達(dá)到244 MPa，超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度(235 MPa)，且出現(xiàn)位置與實(shí)際斷裂相吻合。從分析結(jié)果認(rèn)為該支架存在較大風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了仿真故障再現(xiàn)的目的。

2 兩種改進(jìn)方案的提出

在對(duì)原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析的基礎(chǔ)上，提出兩種改進(jìn)方案：方案一，在支架結(jié)構(gòu)邊緣增加4 mm寬的翻邊，如圖4所示；方案二，將支架厚度由之前的2.0 mm變?yōu)?.5 mm。

圖4 改進(jìn)方案一示意圖

運(yùn)用同樣的分析方法，對(duì)改進(jìn)后的兩種方案進(jìn)行計(jì)算，并讀取結(jié)果。

方案一中X向加速度激勵(lì)下的分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 方案一的應(yīng)力云圖

方案一中，在35 Hz時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到175 MPa，超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度的70%，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

方案二中，X向加速度激勵(lì)下的分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 方案二的分析結(jié)果

方案二中，在40 Hz時(shí)，最大應(yīng)力為157 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度的70%，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證原始結(jié)構(gòu)及兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可靠性，對(duì)這3種結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備：振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)方法：

步驟1，頻率15～45 Hz，加速度3.5g。時(shí)間：上下4 h，左右2 h，前后2 h。

步驟2：頻率為定頻33 Hz，加速度3.5g，時(shí)間：上下8 h，左右4 h，前后4 h。

試驗(yàn)判斷基準(zhǔn)：試驗(yàn)后測(cè)試功能必須滿足要求，外觀不可變形及破損。臺(tái)架試驗(yàn)工裝示意圖如圖7所示。

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖7 臺(tái)架試驗(yàn)工裝示意圖

試驗(yàn)狀態(tài)日期樣品編號(hào)及狀態(tài)1號(hào)(厚2mm)2號(hào)(厚2mm帶加強(qiáng)筋)3號(hào)(厚2mm帶加強(qiáng)筋)4號(hào)(厚2mm帶加強(qiáng)筋)5號(hào)(厚2mm)6號(hào)(厚2.5mm)7號(hào)(厚2.5mm)8號(hào)(厚2.5mm)9號(hào)(厚2mm)步驟1:上下振動(dòng)4h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步驟1:左右振動(dòng)2h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步驟1:前后振動(dòng)2h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步驟2:上下振動(dòng)8h后06-14NGNGOKOKOKOKOKOKOK步驟2:上下振動(dòng)4h后06-14OKOKNGOKOKOKOK步驟2:上下振動(dòng)4h后06-14NGOKOKOKOKNG

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以知道：3種方案中，所有故障件(支架厚度2.0 mm)都未能通過(guò)試驗(yàn)，方案一(2.0 mm厚度帶加強(qiáng)筋)的3個(gè)支架中只有1個(gè)通過(guò)了試驗(yàn)，方案二(支架厚度2.5 mm)的所有的支架都通過(guò)了試驗(yàn)，這與之前分析結(jié)果的判定一致，從另一個(gè)方面證明了分析的正確性。

結(jié)合分析結(jié)果及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，最終選定方案二(支架厚度直接變更為2.5 mm)作為改進(jìn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。將設(shè)變后的支架應(yīng)用于后續(xù)耐久試驗(yàn)車(chē)輛上，進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)，再未出現(xiàn)報(bào)警喇叭支架斷裂的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)報(bào)警喇叭支架進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)分析再現(xiàn)了故障，依據(jù)分析結(jié)果提出了改進(jìn)意見(jiàn)；通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證各種改進(jìn)方案；最后結(jié)合分析與試驗(yàn)結(jié)果得到最終改進(jìn)方案，將最終的改進(jìn)方案運(yùn)用于耐久試驗(yàn)，再未出現(xiàn)斷裂故障。運(yùn)用此方法大大縮短了支架改進(jìn)時(shí)間，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的成本，達(dá)到了產(chǎn)品分析與試驗(yàn)相結(jié)合，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，為同類(lèi)問(wèn)題的解決提供了工程經(jīng)驗(yàn)。

【1】張勝蘭,鄭冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

【2】李楚琳，張勝蘭，馮櫻,等.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

【3】馬愛(ài)軍，周傳月，王旭,等.Patran和Nastran有限元分析專(zhuān)業(yè)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

Structure Improvement of the Tractor’s Anti-theft Alarm Horn Bracket

DENG Lei1,2，DUAN Longyang1,2， YU Xianzhong1,2，CAI Zhiwu1，JING Juan3

(1.Jiangling Motors Co., Ltd., Nanchang Jiangxi 330052,China;2.Jiangxi Key Laboratory of Vehicle NVH, Nanchang Jiangxi 330052,China;3.Jiangxi Technical College of Manufacturing, Nanchang Jiangxi 330095,China)

A truck’s anti-theft alarm horn bracket occurred fracture during road duration test. The bracket was analyzed by using the finite element software Nastran. According the analysis result, two kinds of new design scheme were put forward.The two kinds of new design scheme were validated by using the bench test and duration test.It is shown that finite element method is an effective method in analyzing and improving the structure design. It provides reference for solving related problems.

Finite element; Anti-theft alarm horn bracket; Structure improvement; Test

2016-12-20

鄧?yán)?1984—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槠?chē)CAE分析。E-mail:dengleileizhanc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.007

U463.65+3

A

1674-1986(2017)04-029-03