某車(chē)型冷凝器支架開(kāi)裂分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

武立勝 韋秀梅 何斌

摘? 要：本文針對(duì)路試故障件，分析了可能的原因，建立了冷凝器的有限元模型，利用Radioss軟件進(jìn)行模態(tài)和強(qiáng)度分析。從而找出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)域，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)最終優(yōu)化模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，實(shí)際樣件也通過(guò)了耐久試驗(yàn)，從而表明有限元分析方法的可行性，為工程設(shè)計(jì)提供了有力的工具。

關(guān)鍵詞：冷凝器支架;開(kāi)裂分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.61? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2018）06-0110-06

The Cracking Analysis And Its Optimized Design of

A Vehicle Condenser

WU Li-sheng， WEI Xiu-mei， HE Bin

（ AnHui Jiang Huai Automobile Co.，Ltd ， Hefei 230022， China ）

Abstract： This paper analyzes the possible causes of failure parts when the road test. A finite element model of the condenser was established. Using Radioss software for modal and strength analysis. The stress concentration area of the structure was found out. The final optimization model satisfies goals of the stiffness and intensity. The sample has passed road durability test. Research shows that the finite element analysis is an effective method.

1? ? 引言

汽車(chē)?yán)淠髦Ъ苁菍⒖照{(diào)冷凝器固定在車(chē)架上的重要零部件，在設(shè)計(jì)初期一般通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的可靠性。汽車(chē)零部件的耐久性試驗(yàn)表明，零部件疲勞失效基本上都發(fā)生在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位，例如過(guò)渡圓角根部。本文根據(jù)強(qiáng)化路試故障件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，找出應(yīng)力集中位置，改進(jìn)了一種冷凝器，從而延長(zhǎng)了其疲勞壽命。

2? ? 冷凝器支架路試失效

2.1? ?失效模式

在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路試過(guò)程，發(fā)現(xiàn)安裝在車(chē)架右縱梁上的冷凝器支架兩處發(fā)生開(kāi)裂，行駛里程在2754km發(fā)生開(kāi)裂，更換新件后行駛2100km又發(fā)生開(kāi)裂，開(kāi)裂位置有兩處：1）支架Ⅲ與支撐鋼管焊接處下方;2）支架Ⅲ折彎處，如圖1和圖2所示：

2.2? ?失效原因初步分析

汽車(chē)強(qiáng)化路試中，冷凝器支架所受載荷比較復(fù)雜，常見(jiàn)以結(jié)構(gòu)疲勞耐久失效為主[1]，發(fā)生斷裂主要原因可能有：1）焊接質(zhì)量不良和焊縫強(qiáng)度不足導(dǎo)致;2）冷凝器支架總成強(qiáng)度不足，在極限載荷下，應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞導(dǎo)致;3）冷凝器支架總成模態(tài)設(shè)計(jì)不合理共振導(dǎo)致。檢查故障件開(kāi)裂位置不在焊接處，排除了原因1可能。冷凝器支架總成冷凝器通過(guò)支架Ⅰ和支架Ⅲ將其固定在車(chē)架縱梁上，在強(qiáng)化路試中受到來(lái)自地面的Z向沖擊，初步分析是開(kāi)裂處應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部高應(yīng)力區(qū)可能使冷凝器支架總成發(fā)生疲勞破壞。后續(xù)分析將對(duì)其作進(jìn)一步驗(yàn)證說(shuō)明。

3? ? 計(jì)算模型與分析

3.1? ?冷凝器支架有限元模型

現(xiàn)有的冷凝器支架如下圖3所示，冷凝器與支架Ⅰ、支架Ⅳ和支架Ⅴ通過(guò)三個(gè)螺栓連接，支持鋼管與圖示五個(gè)支架用焊接方式連接，支架Ⅰ和支架Ⅲ通過(guò)螺栓車(chē)架縱梁連接。

創(chuàng)建有限元模型時(shí)，截取車(chē)架縱梁部分?jǐn)?shù)模，并約束其兩端截?cái)嗵幍娜孔杂啥取ＶЪ芘c支撐鋼管之間因是焊接，可用一維剛性連接單元RBE2處理，定義冷凝器支架與車(chē)架左縱梁固定處的接觸，冷凝器重4.35kg，在質(zhì)心處用質(zhì)量單元模擬，支架Ⅰ到支架Ⅴ五個(gè)件厚度均為3mm，支撐鋼管為2mm，最終有限元模型如圖2所示。車(chē)架縱梁材料為510L，其他件材料為Q235A，材料力學(xué)性能如表1所示：

表1 材料力學(xué)性能

對(duì)冷凝器支架總成進(jìn)行有限元分析。考察三種工況：（1）制動(dòng)：X向1g、Y向0g、Z向-1g;（2）轉(zhuǎn)向：X向0g、Y向1g、Z向-1g;（3）垂向沖擊：X向0g、Y向0g、Z向-3.5g。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是所有材料應(yīng)力小于材料的屈服極限。

3.2? ?模態(tài)計(jì)算及分析

支架Ⅰ和支架Ⅲ通過(guò)四個(gè)螺栓與車(chē)架縱梁連接，約束四個(gè)螺栓孔的全部自由度，定義一個(gè)約束模態(tài)工況，計(jì)算得前四階約束模態(tài)如下。

該車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速是750rpm，其怠速頻率為25Hz，與冷凝器支架并無(wú)重合頻率，開(kāi)裂不是共振導(dǎo)致，因而冷凝器支架模態(tài)設(shè)計(jì)合理。

3.3? ?強(qiáng)度計(jì)算及分析

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明：制動(dòng)和轉(zhuǎn)向工況滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求，垂向沖擊下最大應(yīng)力為422.6MPa，不滿(mǎn)足目標(biāo)要求，從圖12和圖13局部應(yīng)力圖可看出應(yīng)力最大處，正是在強(qiáng)化路發(fā)生疲勞開(kāi)裂的區(qū)域，這表明利用靜態(tài)線(xiàn)性有限元分析確定疲勞裂紋發(fā)生區(qū)域是有效的。

4? ? 冷凝器支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

從強(qiáng)度分析結(jié)果看，應(yīng)力最大在支架Ⅲ折彎處上方以及支架Ⅲ與支撐鋼管焊接處下方，改進(jìn)措施為：1）通過(guò)增加鋼管來(lái)提高整個(gè)支架的強(qiáng)度;2）支架Ⅲ兩側(cè)增加翻邊;3）支架Ⅲ厚度增加到4mm。改進(jìn)后的模型如下：

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，三種工況下應(yīng)力云圖如圖16-圖18所示，數(shù)值表3所示。

從應(yīng)力云圖可看出，制動(dòng)和轉(zhuǎn)向工況最大應(yīng)力發(fā)生在支架Ⅲ折彎處;垂向沖擊工況最大應(yīng)力

發(fā)生在增加的鋼管與支撐鋼管兩端焊接處。從表4可得知三種工況下的安全系數(shù)均大于1，滿(mǎn)足目標(biāo)要求。同時(shí)將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)裝車(chē)?yán)^續(xù)進(jìn)行強(qiáng)化路試驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)8000公里強(qiáng)化后，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變形和開(kāi)裂現(xiàn)象，滿(mǎn)足車(chē)輛試驗(yàn)要求。

5? ? 結(jié)論

（1）本文針對(duì)強(qiáng)化路試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障件，分析了可能發(fā)生的原因。采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，計(jì)算了冷凝器支架的前四階約束模態(tài)，并與發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率對(duì)比，從而排除了固有頻率設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致開(kāi)裂。

（2）創(chuàng)建了冷凝器有限元模型，約束模態(tài)分析結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。又分三種工況計(jì)算了冷凝器支架的強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)支架Ⅲ的強(qiáng)度不足、支撐鋼管與支架Ⅲ焊接處下方應(yīng)力大是導(dǎo)致支架開(kāi)裂的主要因素。

（3）根據(jù)分析結(jié)果，重新對(duì)支架Ⅲ進(jìn)行翻邊加強(qiáng)和厚度增加，同時(shí)增加一個(gè)鋼管加強(qiáng)整個(gè)冷凝器支架剛度。強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足材料強(qiáng)度，最后通過(guò)再次強(qiáng)化路試也驗(yàn)證了改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足要求。

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