大型組合式擋泥板固定支架多方案的模擬研究

沈 健 ，宋紀(jì)俠 ，黃華龍 ，章 睿 ，王 斌 ，尹 琳

（1.東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，武漢 430057；2.東風(fēng)精密鑄造有限公司，十堰 442714）

大型組合式擋泥板固定支架作為擋泥板系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)件之一，肩負(fù)著連接后擋泥板、后擋泥板支架、ECU和車架縱梁的重要任務(wù)，擋泥板固定支架設(shè)計(jì)結(jié)果直接關(guān)系到擋泥板系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣。為縮短設(shè)計(jì)周期，在設(shè)計(jì)方案階段引入CAE分析工作。本文對(duì)某車型大型組合式擋泥板固定支架運(yùn)用了動(dòng)力學(xué)仿真分析和有限元分析相結(jié)合的方法，研究擋泥板固定支架四種方案的不同點(diǎn)，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，選擇最佳方案。

1 大型組合式擋泥板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

大型組合式擋泥板系統(tǒng)構(gòu)成如下：

A——后擋泥板連接支架（鈑金件，材料SPHC，料厚3 mm）；

B——后擋泥板支架（鈑金件，材料DC03，料厚1.5 mm）；

C——后擋泥板（塑料件，料厚3 mm）；

D——縱向擋泥板（塑料件，料厚2.5 mm）；

E——ECU、擋泥板固定支架 （精鑄件，材料ZG410－700）。

如圖1所示，固定點(diǎn)O1、O3、O4固定在車架縱梁上，固定點(diǎn)O2固定在減振支架上，固定點(diǎn)O5用于連接縱向擋泥板D和后擋泥板C；固定點(diǎn)O6、O7和O14用于固定 ECU 本體及附屬支架，固定點(diǎn) O8、O9、O10、O11用于固定后擋泥板C和后擋泥板支架B，固定點(diǎn)O12、O13用于連接后擋泥板連接支架A和后擋泥板支架B。

2 動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS建立擋泥板固定支架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。輸入擋泥板固定支架系統(tǒng)的各零件質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)、各固定點(diǎn)坐標(biāo)，車架用大地代替，各零件之間及零件與大地之間用襯套連接。 固定點(diǎn) O15、O16、O17和 O18（僅方案一和方案三有）固定于車架上。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)工程師提議，計(jì)算擋泥板固定支架系統(tǒng)的工況如下：垂直載荷，自重及Z向3 g，自重及Z向6 g；制動(dòng)載荷，自重及X向1 g；右轉(zhuǎn)向載荷，自重及Y向1 g。

三種工況下?lián)跄喟骞潭ㄖЪ芨鞴潭c(diǎn) （說明參見圖1～3）受力情況見表1。

表1 擋泥板固定支架各固定點(diǎn)受力情況 N

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

運(yùn)用有限元分析軟件HYPERWORKS建立擋泥板固定支架有限元模型。有限元模型采用邊長(zhǎng)2 mm的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而更大范圍地保持支架的局部小特征，如圖4所示。材料為ZG410-700，材料設(shè)置如表2所示。

表2 擋泥板固定支架材料參數(shù)設(shè)置

3.2 模態(tài)分析

約束擋泥板固定支架與車架連接點(diǎn)。計(jì)算擋泥板固定支架的約束模態(tài)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同方案的約束模態(tài)頻率 Hz

發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、車輪等旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)頻率中，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)頻率最大。為避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，擋泥板固定支架的模態(tài)頻率要高于發(fā)動(dòng)機(jī)的引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率。

該車型發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速分別為2 500 r/min和2 800 r/min。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［1］可知，額定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率分別為83 Hz和93 Hz?？紤]發(fā)動(dòng)機(jī)可能超轉(zhuǎn)速工作，為避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，要求擋泥板固定支架最低階模態(tài)頻率高于93 Hz。從表3可知，除方案三外，其他方案均滿足模態(tài)分析的要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，精鑄零件在冷卻過程中變形較大，開口結(jié)構(gòu)雖耗材少，但成品率低，可制造性劣于封閉結(jié)構(gòu)方案。

3.3 強(qiáng)度分析

約束擋泥板固定支架固定點(diǎn)O15～O18。依據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果進(jìn)行載荷輸入，將7個(gè)固定點(diǎn)（O6～O14，不含 O12及 O13）的力施加到有限元模型中進(jìn)行強(qiáng)度分析。四種工況下?lián)跄喟骞潭ㄖЪ懿煌桨傅膹?qiáng)度分析結(jié)果如圖6～9所示。

綜合四種工況考慮，擋泥板固定支架的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度410 MPa，四個(gè)方案均滿足強(qiáng)度要求。閉口結(jié)構(gòu)方案一、方案二好于開口結(jié)構(gòu)方案三、方案四。

3.4 剛度分析

將 7 個(gè)固定點(diǎn)（O6～O14，不含 O12及 O13）的各方向力輸入到有限元模型中進(jìn)行剛度分析，計(jì)算各固定點(diǎn)合力下的剛度。其中O6、O7和O14為ECU的安裝點(diǎn)，需重點(diǎn)考察。剛度分析結(jié)果如表4所示，固定點(diǎn)O6、O7為懸臂梁端點(diǎn)，故剛度值較低，固定點(diǎn)O14非懸臂梁結(jié)構(gòu)剛度值較大。綜合各工況下ECU安裝點(diǎn)的情況，可知，閉口結(jié)構(gòu)方案一、方案二好于開口結(jié)構(gòu)方案三、方案四。

表4 擋泥板固定支架不同方案的剛度值 N/mm

4 結(jié)論

本文通過動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算出擋泥板固定支架在四種工況下受力的大小和方向，為擋泥板固定支架的強(qiáng)度、剛度分析提供了載荷，計(jì)算了支架在各種工況下的應(yīng)力分布和支架本身的模態(tài)性能。通過結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）除方案三外，其他三個(gè)方案均滿足模態(tài)方面要求，即不會(huì)在工作范圍內(nèi)發(fā)生共振現(xiàn)象。

2）閉口結(jié)構(gòu)方案一、方案二在強(qiáng)度、剛度方面明顯好于開口結(jié)構(gòu)方案三、方案四。

3）考慮到汽車使用過程中螺栓防松的需要，四點(diǎn)固定的閉口結(jié)構(gòu)方案一具有綜合優(yōu)勢(shì)，被正式采用。

［1］東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選擇［M］.東風(fēng)汽車公司柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廠，1998.