基于有限元技術(shù)的鑄鋁支架結(jié)構(gòu)性能研究

趙俊男 于洋 董有昌 池青山 王巖

摘 要：文章以某款車型鑄鋁支架為研究對象，運(yùn)用有限元技術(shù)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、靜態(tài)性能分析和壓鑄性能分析。后續(xù)制作樣件，分別通過材料機(jī)械性能試驗(yàn)、孔隙率試驗(yàn)、靜態(tài)破壞試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)驗(yàn)證。綜上所述，確定結(jié)構(gòu)性能滿足目標(biāo)要求，驗(yàn)證軟件仿真分析的準(zhǔn)確性，保證產(chǎn)品質(zhì)量，獲得項(xiàng)目組認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析;鑄鋁支架;靜態(tài)性能;壓鑄性能

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-169-05

Structure performance research of cast aluminum bracket based

on the finite element technique

Zhao Junnan， Yu Yang， Dong Youchang， Chi Qingshan， Wang Yan

（ Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315336 ）

Abstract： This paper takes the cast aluminum bracket as the research object based on the vehicle model. By finite element technology， the structure modal analysis， the static performance analysis and the die casting performance analysis of the scheme are calculated. Subsequent making samples， respectively through the material mechanical performance test， porosity test， static test and fatigue test verification. In conclusion， the structure performance satisfies the requirement of the target， and verify the accuracy of the software simulation analysis， ensure the quality of product， obtains programs approval.

Keywords： Modal analysis; Cast aluminum bracket; Static performance; Die casting performance

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-169-05

前言

近些年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，伴隨著有限元軟件日益完善，有限元技術(shù)作為有力的技術(shù)保障，促進(jìn)汽車行業(yè)的高速發(fā)展。排氣系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要組成部分，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可靠性直接關(guān)系到汽車的整體性能。然而，排氣系統(tǒng)支架是排氣系統(tǒng)重要的支撐部分，一方面要承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和道路產(chǎn)生的激勵(lì)沖擊，同時(shí)也受到排氣溫度的影響。如果支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成排氣系統(tǒng)功能失效。因此，排氣系統(tǒng)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性直接影響著整車的可靠性。

本文以某車型排氣系統(tǒng)支架為研究對象，首先收集影響零部件選型以及功能實(shí)現(xiàn)的所有相關(guān)需求，綜合考慮輕量化、成本、防腐、NVH、堅(jiān)固性、安全性和總布置等幾方面維度，選用壓鑄鋁方案的排氣系統(tǒng)支架。壓鑄鋁支架具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度和表面光潔度高、力學(xué)性能優(yōu)良，耐腐蝕好等優(yōu)點(diǎn);本文運(yùn)用有限元技術(shù)，對壓鑄鋁支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了約束模態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、靜態(tài)特性和鑄造性能分析;最后制作壓鑄鋁支架工裝件，對樣件進(jìn)行材料力學(xué)性能、孔隙率斷面分析、靜態(tài)破壞和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。通過以上幾方面的研究，確定該方案滿足目標(biāo)要求，并驗(yàn)證軟件仿真分析的準(zhǔn)確性，為今后建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫做好鋪墊。

1 產(chǎn)品定義

1.1 零部件選型

零部件選型旨在將市場需求和客戶之聲準(zhǔn)確地描述為可實(shí)現(xiàn)和可驗(yàn)證的工程需求，收集影響零部件選型的法規(guī)、制造、質(zhì)量等所有相關(guān)需求，將需求清晰地、邏輯地逐層分解到零部件的屬性要求，從屬性要求的多個(gè)維度進(jìn)行零部件方案對比，在平衡相沖突的投資與成本指標(biāo)后，選出可行的最佳方案。

目前，根據(jù)市場中不同車型的排氣系統(tǒng)布置方案不同，常見的排氣系統(tǒng)支架分為鑄鐵支架、鑄鋁支架和鈑金支架，其中鈑金支架包括不銹鋼方案和耐熱鋼板+表面處理方案，由圖1所示四種方案排氣系統(tǒng)支架實(shí)物。

在排氣系統(tǒng)支架的選型階段，本文從輕量化、成本、防腐、NVH、堅(jiān)固性、安全性和總布置七項(xiàng)維度綜合考慮，對四種方案進(jìn)行性能對比分析，由表1所示四種方案在七項(xiàng)維度上性能對比情況。本文參考平臺(tái)車型定位，選擇壓鑄鋁方案排氣系統(tǒng)支架，材料為AlSi9Cu3。雖然成本略高，但是在輕量化、防腐和NVH方面都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他方案，能夠承受高溫、高濕、石頭擊傷零部件、濕熱交變頻繁、動(dòng)載荷工況等沖擊，可以有效地提高整車性能。

本文運(yùn)用三維軟件繪制鑄鋁支架，如圖2所示鑄鋁支架裝配圖。鑄鋁支架一端與發(fā)動(dòng)機(jī)配合裝配，通過4個(gè)M8螺栓安裝;另一端與變速箱配合裝配，通過3個(gè)M10螺栓安裝;鑄鋁支架上斜面與排氣系統(tǒng)上焊接支架配合裝配，通過4個(gè)M8螺栓安裝，起到支撐排氣系統(tǒng)作用;為了半軸與變速箱裝配，在鑄鋁支架上增加一個(gè)內(nèi)孔。建立坐標(biāo)系，原點(diǎn)定義為配合裝配變速箱側(cè)的第一孔與變速箱側(cè)安裝面的交點(diǎn)，X軸垂直于發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)安裝面，方向指向發(fā)動(dòng)機(jī)，其中X+表示X軸正方向，X-表示X軸負(fù)方向;Y軸垂直于變速箱側(cè)安裝面，方向指向變速箱，其中Y+表示Y軸正方向，Y-表示Y軸負(fù)方向;Z軸方向指向排氣系統(tǒng)，其中Z+表示Z軸正方向，Z-表示Z軸負(fù)方向。

1.2 目標(biāo)設(shè)定

鑄鋁支架是整個(gè)排氣系統(tǒng)的主要支撐件，其結(jié)構(gòu)性能要求有以下幾方面：

（1）材料性能應(yīng)滿足表2要求。

（2）模態(tài)要求：鑄鋁支架在約束條件下第一階固有頻率大于240Hz。

（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求：在激振頻率作用下，鑄鋁支架的最大位移處抵抗變形能力大于500N/mm。

（4）靜態(tài)性能要求：根據(jù)整車極限工況條件下計(jì)算結(jié)果可知，要求鑄鋁支架所能承受的靜態(tài)力分別為X+：≥13.1 KN;X-：≥13.1KN;Y+：≥18.3KN;Z+：≥18.6KN;Z-：≥16.3KN。因此，當(dāng)鑄鋁支架分別受到靜態(tài)力X+=13.1 KN;X-=13.1KN;Y+=18.3KN;Z+=18.6KN;Z-=16.3KN條件下，要求鑄鋁支架的最大主應(yīng)力不大于材料的80%抗拉強(qiáng)度。

（5）疲勞性能應(yīng)滿足以下四項(xiàng)疲勞試驗(yàn)要求，試驗(yàn)過程中不能出現(xiàn)開裂，功能失效。

X向低周疲勞：

載荷：-10900～7900N;頻率15HZ，次數(shù)：20萬次;

X向高周疲勞：

載荷：-8200～5900N;頻率25HZ，次數(shù)：100萬次;

Z向低周疲勞：

載荷：-4600～7000N;頻率15HZ，次數(shù)：20萬次;

Z向高周疲勞：

載荷：-3200～5500N;頻率25HZ，次數(shù)：100萬次。

（6）壓鑄性能要求：

1）鑄鋁過程中填充溫度和速度分布均勻，不能出現(xiàn)明顯卷氣現(xiàn)象;

2）凝固過程中溫度呈梯形均勻分布，不能出現(xiàn)局部溫差過大;

3）孔隙率≤5%，最大孔隙尺寸<Φ1.5mm。

以上要求，為后文結(jié)構(gòu)性能分析提供了評價(jià)準(zhǔn)則。

2 結(jié)構(gòu)性能分析

在車輛正常行駛條件下，鑄鋁支架不斷受到來自于發(fā)動(dòng)機(jī)和道路產(chǎn)生的激勵(lì)沖擊，為了防止鑄鋁支架發(fā)生共振現(xiàn)象和變形過大，本文對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束條件下模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析;當(dāng)車輛行駛在極限工況下，由于鑄鋁支架分別承受著X、Y和Z軸三個(gè)方向的最大靜載荷沖擊，為了防止發(fā)生斷裂現(xiàn)象，本文對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)性能分析;為了提供鑄鋁支架的壓鑄成品率，節(jié)約研制成本，保證樣件質(zhì)量，本文對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑄鋁性能分析。

2.1 模態(tài)分析

在模態(tài)分析中，運(yùn)用有限元軟件對鑄鋁支架的數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置與發(fā)動(dòng)機(jī)配合的4個(gè)裝配孔和與變速箱配合的3個(gè)裝配孔為固定六個(gè)自由度約束，在與排氣系統(tǒng)上焊接支架配合的裝配斜面上施加重量約束，如圖3所示。

對有限元模型計(jì)算得到前十階固有頻率如表3所示，提取第一階模態(tài)分析應(yīng)力圖，如圖4所示，第一階頻率值大于目標(biāo)值240Hz，滿足模態(tài)設(shè)計(jì)要求。

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

在動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析中，根據(jù)裝配實(shí)際情況，設(shè)置鑄鋁支架的激勵(lì)點(diǎn)為與排氣系統(tǒng)上焊接支架配合裝配的斜面。在模態(tài)分析的有限模型基礎(chǔ)上，分別施加X、Y、Z3個(gè)方向的單位力，選擇激振頻率范圍為0～500 Hz，運(yùn)用有限元軟件對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

本文所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸兩沖程的汽油機(jī)，其產(chǎn)生的振動(dòng)頻率為0～200Hz，由于鑄鋁支架的第一階固有頻率遠(yuǎn)大于振動(dòng)頻率，相比之下激振頻率越接近固有頻率，發(fā)生位移越大。因此鑄鋁支架在激振頻率200Hz作用下，會(huì)發(fā)生最大位移。通過計(jì)算得到，鑄鋁支架的最大位移處抵抗變形能力分別為782.925N/mm、2443.395N/mm、855.776N/mm，都大于500N/mm，滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，圖5表示鑄鋁支架動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析圖。

2.3 靜態(tài)性能分析

在靜態(tài)性能分析中，將模態(tài)分析模型中重量約束刪除，在與排氣系統(tǒng)上焊接支架配合的裝配斜面上分別施加靜態(tài)力X+=13.1KN;X-=13.1KN;Y+=18.3KN;Z+=18.6KN;Z-=16.3 KN，通過軟件計(jì)算得到結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在X，Y和Z軸三個(gè)方向上，鑄鋁支架所承受的最大應(yīng)力分別為54.6MPa、40.7MPa、102.3Mpa、60.4Mpa和58.9MPa，其最大應(yīng)力值小于材料的80%抗拉強(qiáng)度192Mpa，滿足靜態(tài)性能要求。

2.4 壓鑄性能分析

在鑄鋁性能分析中，根據(jù)鑄鋁支架的結(jié)構(gòu)可知，外形尺寸約為266mm×177mm×174mm，成品重量為1430g，產(chǎn)品投影面積為約47082mm?，通過對投影面積的計(jì)算，該鑄件適合在530T壓鑄機(jī)上生產(chǎn)，一模一腔，設(shè)置鋁液溫度為650℃，壓鑄高速和低速分別為2.5m/s和0.2m/s，節(jié)拍為55s/Pcs。對鑄鋁支架的數(shù)模進(jìn)行工藝分析，如圖7所示，綠色實(shí)線標(biāo)記為模具設(shè)計(jì)分型線，在避讓半軸的內(nèi)孔處增加滑塊，壓鑄進(jìn)料位置在鑄鋁支架的底側(cè)，渣包均勻分布。

按照工藝分析結(jié)果，建立鑄鋁支架的鑄鋁數(shù)模，通過MAGMA軟件進(jìn)行鑄鋁性能分析，得到分析結(jié)果如圖8所示。由圖可知，當(dāng)液態(tài)金屬充滿型腔過程中，填充溫度和速度分布均勻，沒有出現(xiàn)局部填充溫度過低現(xiàn)象和由于填充速度過快或者過慢產(chǎn)生明顯的卷氣現(xiàn)象。當(dāng)鑄件表面溫度降至凝固溫度時(shí)，表面開始凝固，凝固溫度隨著鑄件厚度呈梯形均勻分布，沒有出現(xiàn)局部凝固溫度過低或者過高現(xiàn)象，滿足壓鑄性能要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好地驗(yàn)證鑄鋁支架結(jié)構(gòu)的可靠性和上述軟件仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對鑄鋁支架樣件分析進(jìn)行材料機(jī)械性能試驗(yàn)、孔隙率試驗(yàn)、靜態(tài)破壞試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 材料機(jī)械性能試驗(yàn)

在材料機(jī)械性能試驗(yàn)中，選用CMT5605型號(hào)萬能材料試驗(yàn)機(jī)和HBE-3000IS型號(hào)布氏硬度計(jì)，在常溫條件下測試三組試棒，得到測試結(jié)果如圖9所示，其數(shù)值均滿足材料性能要求。

3.2 孔隙率試驗(yàn)

在孔隙率試驗(yàn)中，本文選用標(biāo)尺為1.9763?m，放大倍數(shù)為2.0，在樣件上截取面積為269.1mm2的測試樣片進(jìn)行觀察，如圖10所示，孔隙率為1.39%，最大孔隙尺寸為Φ0.62mm，均滿足壓鑄性能要求。

3.3 靜態(tài)破壞試驗(yàn)

在靜態(tài)破壞試驗(yàn)中，選用線性液壓作動(dòng)器（最大載荷：25KN，最大行程：250mm），將樣件按要求安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，以500N/s的速率進(jìn)行加載，靜態(tài)載荷分別為X+=13.1KN、X-=13.1KN、Y+=18.3KN、Z+=18.6KN、Z-=16.3KN，每組測試3套樣件，測試完成后對樣件進(jìn)行探傷處理，所有樣件均無開裂，功能正常，圖11表示在Y+=18.3KN條件下某組靜態(tài)破壞試驗(yàn)。

3.4 疲勞性能試驗(yàn)

在疲勞性能試驗(yàn)中，同樣地選用線性液壓作動(dòng)器（最大載荷：25KN，最大行程：250mm），將樣件按要求安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，按照四項(xiàng)疲勞試驗(yàn)要求施加動(dòng)態(tài)載荷，每組測試3套樣件，試驗(yàn)后，探傷檢查所有樣件無開裂，功能正常，圖12表示Z向某組低周疲勞試驗(yàn)。

通過以上幾項(xiàng)零部件試驗(yàn)驗(yàn)證，有效地驗(yàn)證該方案的結(jié)構(gòu)性能滿足目標(biāo)要求。在項(xiàng)目試驗(yàn)驗(yàn)證階段，該方案通過了整車道路耐久試驗(yàn)，進(jìn)一步地驗(yàn)證鑄鋁支架結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 總結(jié)

本文是以鑄鋁支架為研究對象，首先通過零部件選型采用壓鑄鋁方案的排氣系統(tǒng)支架;再運(yùn)用有限元技術(shù)，對該方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、靜態(tài)性能分析和壓鑄性能分析，分析結(jié)果證明了該方案的結(jié)構(gòu)性能滿足目標(biāo)要求;后續(xù)制作支架樣件，分別通過材料機(jī)械性能試驗(yàn)、孔隙率試驗(yàn)、靜態(tài)破壞試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)驗(yàn)證。綜上所述，確定該方案滿足目標(biāo)要求，節(jié)約研制成本，保證樣件質(zhì)量，并驗(yàn)證軟件仿真分析的準(zhǔn)確性。

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