某重型卡車后擋泥板支架斷裂分析及優(yōu)化

黃 瑋，陳淑平

某重型卡車后擋泥板支架斷裂分析及優(yōu)化

*黃 瑋1,2，陳淑平1,2

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心；2.南昌市工業(yè)技術(shù)研究院，江西，南昌 330052）

在進(jìn)行 45 000 km 耐久試驗(yàn)過程中，某重型卡車樣車后輪后擋泥板右側(cè)斷裂?；?Nastran 的頻率響應(yīng)分析對(duì)該擋泥板進(jìn)行仿真分析，找出斷裂失效的原因；基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化方法，優(yōu)化后得出不同的密度云圖，根據(jù)密度云圖所示材料分布，合理布置加強(qiáng)筋的位置。改進(jìn)后的方案制作樣件進(jìn)行路試檢驗(yàn)，順利通過了45 000 km耐久試驗(yàn)，擋泥板右側(cè)無斷裂現(xiàn)象，由此表明了改進(jìn)措施能夠有效的解決擋泥板斷裂問題。

后擋泥板; 頻率響應(yīng)分析; 拓?fù)鋬?yōu)化

0 引言

某重型卡車樣車后擋泥板在 45 000 km 耐久試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)右后擋泥板出現(xiàn)明顯開裂，從圖1可以清晰觀察到。若該車投放市場(chǎng)，將會(huì)引起顧客抱怨，影響市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及銷售。經(jīng)故障還原分析確定擋泥板是共振失效，針對(duì)擋泥板系統(tǒng)必須采取措施，解決共振問題。本文對(duì)該問題分析和解決過程進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。

圖1 失效照片

1 開裂故障分析

該車擋泥板安裝管梁受布置空間限制，需要伸出很長(zhǎng)的懸臂梁，很容易引起后擋泥板抖動(dòng)。振動(dòng)容易會(huì)引起疲勞耐久和共振失效，因此需要確定失效方式，再找到失效原因。為了找出斷裂失效的原因，可以采用先進(jìn)的有限元方法進(jìn)行仿真，考慮通過頻響方法進(jìn)行分析。結(jié)合仿真結(jié)果和路譜測(cè)試結(jié)果分析，清晰看出最大應(yīng)力位置（見圖2）與實(shí)際斷裂位置（見圖1）相同，并且最大應(yīng)力位置處頻率與路譜峰值處吻合?？梢曰敬_認(rèn)后擋泥板斷裂失效是共振引起的，由于擋泥板系統(tǒng)本身懸臂梁的缺陷，導(dǎo)致很難從加長(zhǎng)擋泥板連接支架、擋泥板加強(qiáng)筋、管梁變厚及增加擋泥板安裝點(diǎn)等結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提升擋泥板頻率。因此需要改變擋泥板的模態(tài)頻率，來避開共振頻率。故考慮從擋泥板本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來避開共振頻率（見圖3）。

圖2 后擋泥板處應(yīng)力云圖

圖3 后擋泥板共振問題解決流程圖

2 有限元模型的建立

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

擋泥板系統(tǒng)三維模型見圖4。應(yīng)用 HyperMesh[1-2]軟件進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分。由于主要考察后擋泥板的受力狀態(tài)，只要對(duì)擋泥板系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格大小為 5 mm，單元類型為CTRIA3、CQUAD4、CTETRA和CHEXA。支架和擋泥板的材料性能見表 1。采用主機(jī)廠通用有限元軟件 MSC Nastran 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖4 后擋泥板三維數(shù)模

表1 支架和后擋泥板材料參數(shù)

2.2 邊界條件

后擋泥板響應(yīng)主要激勵(lì)來源于車架（X方向0.6g，Y方向0.25g，Z方向0.9g）。為考察后擋泥板的響應(yīng)情況，故把激振點(diǎn)放置在擋泥板支架與車架連接的的安裝點(diǎn)上，完全約束X/Y/Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)，見圖5。

圖5 有限元模型

3 有限元分析結(jié)果

3.1 模態(tài)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果

在后擋泥板的激勵(lì)點(diǎn)建立約束，約束其6個(gè)自由的，再提交Nastran[3-5]中進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，采用HyperView中瀏覽相應(yīng)的模態(tài)振型，其結(jié)果見圖6。

圖6 后擋泥板初始模型的前6階模態(tài)振型

參照后擋泥板的模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證模型的正確性，試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比如表2所示。通過錘擊產(chǎn)生脈沖激勵(lì)，實(shí)驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)，逐一拾取響應(yīng)點(diǎn)信號(hào)的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 后擋泥板初始模型的測(cè)試結(jié)果

表2 后擋泥板試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比表

從表2可以看出試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本吻合，誤差僅在5%以內(nèi)，表明有限元分析的結(jié)果可靠，同時(shí)驗(yàn)證建立的分析有限元模型正確性。

3.2 頻響分析結(jié)果

在耐久試驗(yàn)中，在擋泥板支架上貼振動(dòng)加速度傳感器，測(cè)出各方向的實(shí)際道路加速度，用于后擋泥板x，y和z向進(jìn)行的頻率響應(yīng)分析[3]，來考察后擋泥板在各向的頻率響應(yīng)水平，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 后擋泥板的頻率響應(yīng)結(jié)果

路譜測(cè)試結(jié)果中，13Hz和28Hz時(shí)附近有加速度峰值出現(xiàn)，與仿真計(jì)算結(jié)果的響應(yīng)頻率較吻合。路譜測(cè)試結(jié)果見圖8

圖8 路譜測(cè)試

根據(jù)，和向模態(tài)頻響仿真和路譜測(cè)試結(jié)果，判斷z向振動(dòng)是引起后擋泥板斷裂主要激勵(lì)源。為確保安全因數(shù)，此后分析分別對(duì)x向和z向進(jìn)行模態(tài)頻響分析。

后擋泥板響應(yīng)最大是在z向26.8 Hz頻率激勵(lì)下，在12.1 Hz附近也有峰值出現(xiàn)。為重現(xiàn)后后擋泥板失效模式，對(duì)其進(jìn)行x，y和z向同時(shí)激勵(lì)的頻響分析，激勵(lì)加速度為1 g。有限元分析結(jié)果見圖2和圖9。頻率為26.8 Hz時(shí)，后擋泥板開裂處在1 g加速度荷載激勵(lì)下最大應(yīng)力為16.2 MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度。仿真結(jié)果的最大應(yīng)力位置就是斷裂位置，并且失效點(diǎn)位置最大應(yīng)力均發(fā)生在26.8 Hz頻率下，與路譜峰值處頻率吻合。后擋泥板失效是由于共振引起的，需改變后擋泥板模態(tài)頻率，避開共振頻率。為解決擋泥板開裂問題，需改進(jìn)后擋泥板z向剛度;后擋泥板開裂處應(yīng)力很大，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對(duì)該件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖9 x向后擋泥板處應(yīng)力云圖

4 提出改進(jìn)方案并計(jì)算

4.1 建立拓?fù)鋬?yōu)化模型

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[6-8]的基本原則是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題，可以理解為“最大剛度”設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)質(zhì)是材料的刪減。由于擋泥板根據(jù)要求設(shè)計(jì)，其厚度不能低于3.5 mm，確定擋泥板加強(qiáng)筋的分布，就不能直接通過拓?fù)鋬?yōu)化得到，需要轉(zhuǎn)變一下思路:將擋泥板的厚度由原先的3.5 mm增加到12 mm，然后在這12 mm的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，刪減材料直至擋泥板的厚度不小于3.5 mm。這樣就可以在質(zhì)量不增加很多的情況下，又保證了厚度不低于3.5 mm，實(shí)現(xiàn)擋泥板的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

為了滿足該覆蓋件的剛度條件，以第一階固有頻率最大化為目標(biāo)函數(shù)，以體積分?jǐn)?shù)(質(zhì)量)小于等于0.4為約束條件，建立擋泥板的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型:

Find:X=(x1,x2,…,xn)

Maximize:Frequency 1

Subject to:KU=F

在HyperMesh中設(shè)置好設(shè)計(jì)變量、響應(yīng)函數(shù)、約束變量和目標(biāo)函數(shù)后，提交OptiStruct[9-10]進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，整個(gè)優(yōu)化過程經(jīng)歷8步迭代，優(yōu)化后的單元密度云圖如圖9所示，優(yōu)化過程中前6階固有頻率變化如圖10所示。

通過圖10擋泥板優(yōu)化后的單元密度云圖，可以初步確定加強(qiáng)筋布置位置。密度值為1的位置對(duì)應(yīng)在密度圖上的淺色區(qū)域應(yīng)該布置加強(qiáng)筋，密度值為0.001的位置對(duì)應(yīng)密度圖上的深色區(qū)域不需布置加強(qiáng)筋；由圖11可知，在拓?fù)鋬?yōu)化過程中其前四階固有頻率不斷提高。

圖10 擋泥板優(yōu)化后的單元密度云圖

圖11 前6固有頻率迭代過程

4.2 拓?fù)鋬?yōu)化后模型的重建與頻響分析

優(yōu)化后的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅只考慮到結(jié)構(gòu)的剛度，而且還需要滿足制造工藝、裝配關(guān)系等設(shè)計(jì)要求。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果以及實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)抽象成的布置加強(qiáng)筋后的擋泥板實(shí)體模型如圖12所示，圖中白色結(jié)構(gòu)為所布置的加強(qiáng)筋。新的擋泥板結(jié)構(gòu)中，未布置加強(qiáng)筋的部分厚度仍為3.5 mm，而布置加強(qiáng)筋的厚度則為12 mm，加強(qiáng)筋寬度為1.3 mm。

圖12 拓?fù)鋬?yōu)化后重建的擋泥板模型

在HyperMesh中對(duì)新建的擋泥板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行模態(tài)分析及x和z向的頻率響應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果分別見圖13-圖15。

圖13 后擋泥板初始模型的前6階模態(tài)振型

圖14 改進(jìn)方案x向后擋泥板處應(yīng)力云圖

Fig.14 Stress nephogram of improved scheme x at rear fende

圖15 改進(jìn)方案z向后擋泥板處應(yīng)力云圖

Fig.15 Stress nephogram of improved scheme z at rear fende

表4 后擋泥板初始與優(yōu)化模型對(duì)比表

由表4可知，后擋泥板的各階固有頻率均有提升，優(yōu)化后擋泥板的剛度提升；質(zhì)量則由2.897 kg增至3.093 kg，只增加0.196 kg,質(zhì)量變化不是很大。在重量增加很小的情況下，該拓?fù)鋬?yōu)化后的擋泥板剛度提高了，避開共振頻率，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

改進(jìn)方案最大應(yīng)力出現(xiàn)在23 Hz附近，后擋泥板最大應(yīng)力為14.98 MPa，根據(jù)路譜測(cè)試數(shù)據(jù)(圖7)在23 Hz處對(duì)應(yīng)的加速度峰值很小。故在實(shí)際工況中，改進(jìn)方案后擋泥板處受力會(huì)更小。判斷該改進(jìn)方案能夠滿足耐久測(cè)試要求：

5 結(jié)束語(yǔ)

基于先進(jìn)的有限元技術(shù)，重現(xiàn)后擋泥板故障失效模式，優(yōu)化方案制作擋泥板樣件，并實(shí)車通過耐久路試，因此得到以下結(jié)論。

(1)采用頻響方法進(jìn)行故障還原，并確定失效方式及失效原因，為故障整改提供方向；

(2)模態(tài)分析結(jié)果表明，其前六頻率與模態(tài)試驗(yàn)誤差率在5%以內(nèi)，優(yōu)化后的前六階模態(tài)頻率均得到提升；

(3)采用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析結(jié)果表明，密度圖上的淺色區(qū)域剛度不夠，需要布置加強(qiáng)筋；

(4)采用優(yōu)化方案進(jìn)行耐久實(shí)車測(cè)試，順利通過了45 000 km耐久試驗(yàn)；

(5)該方法能能夠有效支持工程問題的解決，為同類工程問題的解決提供了一種新的思路。

[1] 張勝蘭. 基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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Fracture problem and topology optimization analysis for rear fender of a Heavy truck

*HUANG Wei1,2, CHEN Shu-ping1,2

(Product Development&Technology Center,Jiangling Motors Corporation Limited, Nanchang Industrial Research Institute ，Nanchang,Jiangxi 330052,China)

During the 45 000 km road durability test of a heavy truck vehicle，the fracture problem occured on the rear fender. The frequency response of the rear fender was simulated and analyzed by Nastran，and the fracture problemwas found. Based on variable density method of the topology optimization method, the different density maps were obtained, and the location of the reinforcement was reasonably arranged according to the material segment. The improved scheme of the prototype made the road test, successfully passed the 45000 km endurance test, found no fracture phenomenon at the right fender, which indicated that the improved measures could solve the problem of fender fracture effectively.

rear fender,frequency response analysis, topology optimization

U469.2

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.04.013

1674-8085(2020)04-0065-06

2019-11-11；

2020-02-03

*黃 瑋(1989-），男，江西南昌人，中級(jí)工程師，碩士，主要從事汽車設(shè)計(jì)及分析工作(E-mail:394431063@qq.com);

陳淑平(1989-)，女，江西臨川人，助理工程師，主要從事汽車設(shè)計(jì)及分析工作(E-mail:823697718@qq.com).