某車型空調(diào)管路支架斷裂失效分析及優(yōu)化

李喆， 劉博， 王俊， 李志強， 付敬陽

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

某車型空調(diào)管路支架斷裂失效分析及優(yōu)化

李喆1,2， 劉博1,2， 王俊1,2， 李志強1,2， 付敬陽1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

利用有限元軟件建立某車型空調(diào)管路支架的慣性力強度分析模型、模態(tài)分析模型和動力總成拉拽力強度分析模型，利用仿真分析軟件進行有限元計算，通過與試驗數(shù)據(jù)和試驗照片對比分析，判斷支架失效真因。根據(jù)失效真因，結(jié)合支架受力傳遞路徑，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進行分析驗證。分析結(jié)果表明：在同樣的動力總成拉拽力作用下，優(yōu)化方案最大應(yīng)力值相比原結(jié)構(gòu)降低了50%，且后續(xù)整車試驗并未出現(xiàn)空調(diào)管路支架失效問題。此優(yōu)化方案可以解決空調(diào)管路支架失效問題。

空調(diào)管路；支架；失效分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)作為汽車系統(tǒng)的一部分，其主要功能是實現(xiàn)對車廂內(nèi)空氣的制冷、加熱、換氣和凈化的作用。空調(diào)管路系統(tǒng)主要功能是作為空氣交換流動的通道和載體。空調(diào)管路支架主要作用是固定和支撐管路，在車輛行駛過程中、空調(diào)正常運轉(zhuǎn)情況下，空調(diào)管路支架支撐整個空調(diào)管路，保證空調(diào)系統(tǒng)功能的正常實現(xiàn)。由于空調(diào)管路支架處在動力系統(tǒng)與車架之間，在車輛行駛過程中，支架受力極其復(fù)雜，容易出現(xiàn)失效問題。以某車型空調(diào)管路支架為例，闡述空調(diào)管路支架失效分析方法及優(yōu)化方案的制定。

1 問題描述

公司某車型空調(diào)管路支架如圖1所示，空調(diào)管路支架一端通過螺栓固定在車架上，另一端通過一個兩通閥體連接在空調(diào)管路上，空調(diào)管路與安裝在發(fā)動機上的泵體相連。

公司此車型在路試試驗中出現(xiàn)空調(diào)管路支架斷裂現(xiàn)象，斷裂位置如圖2所示。文中針對此斷裂問題進行斷裂失效真因分析，并從失效真因出發(fā)，提出優(yōu)化方案，解決斷裂失效問題。

圖1 空調(diào)管路支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 空調(diào)管路支架斷裂照片

2 問題原因分析

由于空調(diào)管路支架一端連接在車架上，另一端連接在空調(diào)管路上，空調(diào)管路、管路支架和車架形成一個懸臂梁系統(tǒng)。針對此系統(tǒng)，支架出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象主要原因從3個方面考慮：(1)在車輛行駛過程中，空調(diào)管路相對車架存在一定慣性力作用，此慣性力直接作用在支架上，容易導(dǎo)致支架失效斷裂；(2)在空調(diào)系統(tǒng)工作情況下，整個空調(diào)系統(tǒng)的振動容易導(dǎo)致支架出現(xiàn)共振現(xiàn)象，從而出現(xiàn)斷裂問題；(3)空調(diào)管路直接連接發(fā)動機，動力總成在工作狀態(tài)下，在整車坐標(biāo)系3個方向存在相對運動，動力總成的運動導(dǎo)致拉拽空調(diào)管路，此拉拽力直接作用在管路支架上，易造成支架斷裂問題。

2.1 慣性力引起失效問題分析

利用有限元分析軟件，建立空調(diào)管路、管路支架和車架構(gòu)成的系統(tǒng)模型，進行加速度慣性力分析。分析模型如圖3所示。

其中，支架材料為Q235，分析工況采用3個方向各5g加速度進行慣性力分析。如圖4顯示:空調(diào)管路支架最大應(yīng)力出現(xiàn)在Z向-5g工況，應(yīng)力值為86 MPa。此應(yīng)力值遠小于支架材料Q235的屈服強度，故慣性力作用不是導(dǎo)致支架失效問題的原因。

圖3 空調(diào)管路支架慣性力分析模型

圖4 慣性力分析支架應(yīng)力云圖

2.2 共振引起失效問題分析

利用有限元仿真分析軟件，建立由車架、空調(diào)管路支架、空調(diào)管路構(gòu)成的系統(tǒng)模態(tài)分析模型。圖5為模態(tài)分析結(jié)果，可知：系統(tǒng)一階固有共振頻率為30 Hz。

圖5 系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果

為判斷支架斷裂失效問題與系統(tǒng)模態(tài)的關(guān)系，對支架進行振動加速度數(shù)據(jù)采集。圖6為振動加速度試驗數(shù)據(jù)在頻域范圍內(nèi)的功率譜密度信號，可知：支架的振動頻率主要為12 Hz。此振動頻率是由路面激勵傳遞至車架造成的振動，它小于支架一階固有頻率，不能夠引起共振現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，支架斷裂非共振引起。

圖6 支架振動加速度功率譜密度曲線

2.3 動力總成拉拽力引起失效問題分析

圖7為支架上某兩點在車輛反復(fù)加速、減速過程中，實測應(yīng)變的時域信號，可知：在車輛連續(xù)反復(fù)加速、減速的過程中，動力總成受到懸置系統(tǒng)的約束作用，在機艙空間內(nèi)呈現(xiàn)反復(fù)扭轉(zhuǎn)和移動的運動形式，支架應(yīng)變值的大小隨動力總成的運動而變化明顯，因此，支架的強度對動力總成的空間運動十分敏感。

利用有限元仿真分析軟件，建立動力總成拉拽空調(diào)管路系統(tǒng)分析模型。在右轉(zhuǎn)向工況中，動力總成整體向左產(chǎn)生位移，進而拉拽空調(diào)管路系統(tǒng)，因此在右轉(zhuǎn)向工況下進行管路支架拉拽力強度分析。

圖8為空調(diào)管路支架在動力總成拉拽力的作用下的強度分析結(jié)果?？芍汗苈分Ъ艽嬖趹?yīng)力集中現(xiàn)象，并且最大應(yīng)力值已超過材料屈服強度，極易引起空調(diào)管路支架出現(xiàn)失效現(xiàn)象。圖9為某車型空調(diào)管路支架開裂照片，可知：空調(diào)管路支架開裂位置與最大應(yīng)力集中位置相同。

圖7 支架上某兩點的應(yīng)變時域信號

圖8 支架應(yīng)力云圖 圖9 支架開裂照片

因此，空調(diào)管路支架失效的原因為：動力總成在工作狀態(tài)下，通過空調(diào)管路拉拽管路支架，導(dǎo)致管路支架出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

3 問題解決方案

針對此失效問題，提出的優(yōu)化方案如圖10所示。此優(yōu)化方案相對于原方案(圖11所示)主要從兩個途徑解決失效問題：(1)通過在支架與車架之間增加襯套軟連接結(jié)構(gòu)，弱化空調(diào)管路拉拽支架的力，進而減弱支架受力；(2)通過增加加強筋結(jié)構(gòu)，提高支架本身結(jié)構(gòu)強度。

圖10 優(yōu)化后結(jié)構(gòu) 圖11 原結(jié)構(gòu)

對優(yōu)化方案進行動力總成拉拽力強度分析，在相同的拉拽力作用下，優(yōu)化方案管路支架的應(yīng)力分布如圖12所示：管路支架最大應(yīng)力降低為優(yōu)化前的50%，且最大應(yīng)力位置轉(zhuǎn)移到支架的另外一側(cè)，應(yīng)力集中情況也有改善。

圖12 優(yōu)化后支架應(yīng)力云圖

優(yōu)化方案經(jīng)后期路試試驗，并未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。綜合有限元分析及試驗結(jié)果可知，此優(yōu)化方案可以解決空調(diào)管路支架失效問題。

4 結(jié)論

以某車型空調(diào)管路支架為例，將有限元仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，對管路支架失效原因進行逐一分析驗證，排除由慣性力及共振因素引起失效的可能性；通過建立動力總成拉拽管路支架的有限元分析模型，分析支架在拉拽力作用下支架的強度，根據(jù)應(yīng)力結(jié)果，判斷支架斷裂失效的真因為：動力總成拉拽空調(diào)管路導(dǎo)致管路支架受力過大，造成支架出現(xiàn)應(yīng)力過大且應(yīng)力集中現(xiàn)象，進而導(dǎo)致空調(diào)管路支架斷裂失效。

針對結(jié)構(gòu)失效的原因，從零部件之間受力情況出發(fā)，通過增加襯套軟連接結(jié)構(gòu)，減弱空調(diào)管路傳遞至管路支架的拉拽力；通過增加加強筋結(jié)構(gòu)，增強支架自身結(jié)構(gòu)強度。通過對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行有限元分析，驗證了優(yōu)化方案的可行性。

利用文中提供的針對失效問題分析的思路及方法，能夠有效地分析汽車零部件失效問題的原因，并制作優(yōu)化方案，解決失效問題，提升車輛品質(zhì)。

【1】張敬東，起雪梅，杜仕武.空調(diào)管路振動性能分析及優(yōu)化設(shè)計[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，25(5):705-715. ZHANG J D,QI X M,DU S W.Vibration Performance Analysis and Optimization Design for Air-conditioner Pipeline[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition),2013，25(5):705-715.

【2】王永勝，張京偉，吳崇健，等.基于Ansys的管路支架的模態(tài)分析[J].船海工程，2013,42(1):32-35. WANG Y S,ZHANG J W,WU C J,et al.Modal Analysis of Piping Support Based on Ansys[J].Ship & Ocean Engineering,2013,42(1):32-35.

【3】李自強，王會.空調(diào)壓縮機支架有限元分析[J].汽車零部件，2016(8):10-14. LI Z Q,WANG H.Finite Element Analysis on Air Conditioning Compressor Bracket[J].Automobile Parts,2016(8):10-14.

【4】莊茁,張帆.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

【5】Abaqus Analysis User’s Manual[M].

Break Inefficient Analysis and Optimization for the Bracket of Air Conditioner Pipeline of One Vehicle

LI Zhe1,2, LIU Bo1,2, WANG Jun1,2, LI Zhiqiang1,2, FU Jingyang1,2

(1.Research and Development Center, Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China; 2.The Automobile Engineering Technology & Research Center of Hebei Province, Baoding Hebei 071000,China)

The inertia intensity analysis model, mode analysis model and powertrain pulling force analysis model of the bracket of an air conditioner pipeline were built using simulation software. The finite element analysis results were compared with the experiment data. The cause of break inefficient was the force of engine dragging bracket of the air conditioner pipeline. According to the cause and the path of the force, the optimization project was proposed and validated. The analysis result indicates that the stress of the optimized structure reduces 50% than that of the original structure. In the later test, the break inefficient problem did not appear. Therefore, the optimized project can solve inefficient problem.

Air conditioner pipeline; Bracket; Inefficient analysis; Structure optimization

2017-02-11

李喆(1989—)，男，碩士，研究方向為底盤結(jié)構(gòu)分析。E-mail:cae-pub@gwm.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.008

U463.9

A

1674-1986(2017)06-030-03