汽車尿素箱支架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

鐘宏松，沈保山，王康，史榮旭，肖一帆

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院， 江蘇無(wú)錫 214000)

0 引言

汽車尿素，即柴油機(jī)尾氣處理液，能夠吸收氮氧化合物的除污液體，其中包含了67.5%的去離子水和32.5%的高純尿素，存儲(chǔ)在尿素箱內(nèi)[1]。

尿素箱多為通過支架外掛在車身上，在重型汽車運(yùn)行過程中，工況惡劣，從而導(dǎo)致尿素箱支架失效，故障率高。很多研究工作致力于解決尿素箱支架承重問題、優(yōu)化尿素箱支架結(jié)構(gòu)。如鮑曉東等[2]總結(jié)了一套適用于重型車輛支架疲勞驗(yàn)證的臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范；李亮等人[3]闡述了結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)和振動(dòng)疲勞壽命的基本原理；文新海等[4]闡述了結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命的基本原理及基于激勵(lì)跑譜的振動(dòng)疲勞壽命分析的方法和流程。本文作者基于有限元分析手段，對(duì)尿素箱支架進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果中關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布，對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)部件輕量化目標(biāo),繼而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，提高汽車的動(dòng)力性和降低燃油油耗[5]。

1 有限元原理

有限元是解決機(jī)械類復(fù)雜工程問題的一種數(shù)值分析工具，有著復(fù)雜而龐大的理論體系[6]?；具^程主要包括：分析對(duì)象的離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果的后處理三部分。其本質(zhì)是求出每一個(gè)單元表示的復(fù)雜未知量的近似解，然后推理出域的滿足條件，進(jìn)而求得問題的解。在有限元中，常以節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量。并對(duì)每個(gè)單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)近似地表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，再利用力學(xué)理論中的變分原理或其他看法，建立節(jié)點(diǎn)力與位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解節(jié)點(diǎn)的位移分量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場(chǎng)函數(shù)。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸，增加求解區(qū)域內(nèi)單元的數(shù)目，解的近似程度將不斷改進(jìn)，近似值最終將收斂于精確解。

有限元分析的目的：針對(duì)具有任意復(fù)雜幾何形狀變形體，完整獲取在復(fù)雜外力作用下它內(nèi)部的準(zhǔn)確力學(xué)信息，即求取該變形體的三類力學(xué)信息(位移、應(yīng)變、應(yīng)力)[7]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，有限元法在工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的重視和應(yīng)用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問題的有效途徑，汽車的設(shè)計(jì)制造已離不開有限元分析計(jì)算。

2 有限元分析

2.1 分析過程

2.1.1 建立有限元模型

有限元模型包括車架縱梁、尿素箱支架、槽形支撐梁、卡扣、尿素箱等,如圖1所示。其中縱梁、斜支架和卡扣采用殼單元表示；螺栓采用RBE2+beam單元進(jìn)行模擬；尿素泵質(zhì)量利用rb2+mass模擬；縱梁和槽形支撐接觸面、槽形支撐和斜支架接觸面均采用Contact接觸連接，摩擦因數(shù)為0.15，焊接處采用節(jié)點(diǎn)耦合來(lái)模擬。除縱梁和橫梁外，其余支架材料為Q235，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa。

2.1.2 工況定義

根據(jù)實(shí)車裝配要求，截取車架縱梁一部分， 并對(duì)車架截?cái)嗵庍M(jìn)行全約束，同時(shí)施加重力載荷，具體載荷見表1。

表1 工況定義

2.2 計(jì)算結(jié)果

利用ABAQUS軟件對(duì)尿素箱支架進(jìn)行非線性強(qiáng)度計(jì)算，得出在垂直沖擊、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向3個(gè)工況下的應(yīng)力云圖，如圖2—圖4所示，最大應(yīng)力和位移結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

圖2 垂直沖擊工況應(yīng)力云圖

圖3 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖4 轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力云圖

由以上結(jié)果可得，該支架在三工況下的應(yīng)力均小于Q235材料的屈服強(qiáng)度(235 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

由應(yīng)力分布云圖可以看出，該支架雖然最大應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度比較接近，但大部分區(qū)域的應(yīng)力都比較低，存在減重優(yōu)化空間。在此思路下，對(duì)該支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后裝配圖

3.2 有限元分析及其結(jié)果

為考察優(yōu)化后支架的強(qiáng)度性能，對(duì)其進(jìn)行新一輪的有限元分析，模型處理及工況定義均與上文相同，其計(jì)算結(jié)果見表3，應(yīng)力云圖如圖6—圖8所示。

表3 優(yōu)化后強(qiáng)度分析結(jié)果

圖6 優(yōu)化后垂直沖擊工況應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力云圖

由以上結(jié)果可得，該支架在垂直沖擊和制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力均小于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。雖然轉(zhuǎn)向工況的最大應(yīng)力較優(yōu)化前有所提升，但其最大應(yīng)力僅為76 MPa。其在三工況下的應(yīng)力均小于Q235材料的屈服強(qiáng)度(235 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

利用有限元法對(duì)某尿素箱支架進(jìn)行了三工況非線性強(qiáng)度計(jì)算，獲得了該部件的應(yīng)力分布，并根據(jù)其應(yīng)力分布特點(diǎn)對(duì)支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及有限元驗(yàn)證計(jì)算，在理論計(jì)算和可靠性試驗(yàn)均能滿足強(qiáng)度要求的情況下，該支架由9.45 kg減至5.59 kg，降重35.6%，降重效果較為明顯。