某卡车防盗报警喇叭支架结构改进分析

邓磊，段龙扬，余显忠，蔡志武，靖娟

(1.江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330052；2.江西省汽车噪声与振动重点实验室,江西南昌 330052；3.江西制造职业技术学院，江西南昌 330095)

某卡车防盗报警喇叭支架结构改进分析

邓磊1,2，段龙扬1,2，余显忠1,2，蔡志武1，靖娟3

(1.江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330052；2.江西省汽车噪声与振动重点实验室,江西南昌 330052；3.江西制造职业技术学院，江西南昌 330095)

针对某卡车防盗报警喇叭支架在耐久试验过程中出现断裂问题，运用CAE对该支架进行故障验证分析，在此基础上提出改进方案，最后通过台架试验和耐久试验验证改进结构。表明用有限元方法能够有效地指导结构改进，对于同类问题的解决具有借鉴意义。

有限元；防盗报警喇叭支架；结构改进；试验

0 引言

在某卡车的开发过程中，多台车在进行45 000 km耐久试验时防盗报警喇叭支架出现开裂。在对支架进行制造、装配、工艺等方面的检查后，认为该支架在设计方面存在问题。为了缩短结构改进时间，掌握改进方向，应用CAE软件对现有结构进行振动分析，并进行台架试验，最后对改进后的结构进行整车耐久试验验证。

支架安装在车架第一横梁上，厚度为2.0 mm，所选材料为Q235。

1 故障的再现验证

此支架在进行耐久试验时断裂(如图1所示)，初步认为是试验过程中振动导致的疲劳断裂。文中运用Altair的HyperMesh软件进行前处理，然后运用MSC公司的Nastran软件对其进行振动频率响应分析，最后运用Altair的HyperView进行后处理。HyperMesh软件是一个高性能的有限元分析前处理软件，借助它可以快速地对几何模型进行网格划分、并调节网格质量，使其达到有限元的标准[1-2]。Nastran具有很高的软件可靠性，品质优秀，得到有限元业界的肯定，众多汽车公司在工业行业都用Nastran的计算结果作为标准[3]。

图1 支架开裂图片

运用HyperMesh和Nastran相结合进行有限元分析，得到原支架结构在X、Y、Z3个方向对应频率下的最大应力云图。

1.1 建立有限元模型

运用壳单元来模拟支架，喇叭以质点的方式将质量加到对应位置，最后得到2 182个单元。

1.2 载荷及边界条件的确定

约束与车架相连的部位。同时在约束部位施加加速度激励，方向为X、Y、Z3个方向，大小取1g加速度。

最终施加完载荷与边界条件的模型如图2所示。防盗报警喇叭以质点形式模拟，在其质心处生成一个Mass单元，质量为0.4 kg。

图2 支架有限元模型

1.3 材料属性的定义

支架所用材料为Q235，弹性模量为206 GPa，材料密度为7.85×10-9t/mm3，泊松比为0.3，屈服强度为235 MPa。

1.4 分析结果

将建好的模型提交到求解器进行计算，并读取结果，由于在X向激励下的应力远大于Y、Z两个方向，故只显示X向激励下的分析结果。

图3 故障件应力云图

在31 Hz时，在前后方向(X向)1g加速度的激励下支架断裂处应力达到244 MPa，超过了材料屈服强度(235 MPa)，且出现位置与实际断裂相吻合。从分析结果认为该支架存在较大风险，达到了仿真故障再现的目的。

2 两种改进方案的提出

在对原始结构进行CAE分析的基础上，提出两种改进方案：方案一，在支架结构边缘增加4 mm宽的翻边，如图4所示；方案二，将支架厚度由之前的2.0 mm变为2.5 mm。

图4 改进方案一示意图

运用同样的分析方法，对改进后的两种方案进行计算，并读取结果。

方案一中X向加速度激励下的分析结果如图5所示。

图5 方案一的应力云图

方案一中，在35 Hz时，最大应力达到175 MPa，超过了材料屈服强度的70%，认为该结构还存在一定的风险。

方案二中，X向加速度激励下的分析结果如图6所示。

图6 方案二的分析结果

方案二中，在40 Hz时，最大应力为157 MPa，小于材料屈服强度的70%，认为该结构满足设计要求。

3 台架试验

为了验证原始结构及两种改进结构的可靠性，对这3种结构同时进行台架试验。

试验设备：振动试验机。

试验方法：

步骤1，频率15～45 Hz，加速度3.5g。时间：上下4 h，左右2 h，前后2 h。

步骤2：频率为定频33 Hz，加速度3.5g，时间：上下8 h，左右4 h，前后4 h。

试验判断基准：试验后测试功能必须满足要求，外观不可变形及破损。台架试验工装示意图如图7所示。

台架试验结果如表1所示。

图7 台架试验工装示意图

试验状态日期样品编号及状态1号(厚2mm)2号(厚2mm带加强筋)3号(厚2mm带加强筋)4号(厚2mm带加强筋)5号(厚2mm)6号(厚2.5mm)7号(厚2.5mm)8号(厚2.5mm)9号(厚2mm)步骤1:上下振动4h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步骤1:左右振动2h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步骤1:前后振动2h后06-14OKOKOKOKOKOKOKOKOK步骤2:上下振动8h后06-14NGNGOKOKOKOKOKOKOK步骤2:上下振动4h后06-14OKOKNGOKOKOKOK步骤2:上下振动4h后06-14NGOKOKOKOKNG

通过台架试验可以知道：3种方案中，所有故障件(支架厚度2.0 mm)都未能通过试验，方案一(2.0 mm厚度带加强筋)的3个支架中只有1个通过了试验，方案二(支架厚度2.5 mm)的所有的支架都通过了试验，这与之前分析结果的判定一致，从另一个方面证明了分析的正确性。

结合分析结果及台架试验结果，最终选定方案二(支架厚度直接变更为2.5 mm)作为改进结构，进行设计变更。将设变后的支架应用于后续耐久试验车辆上，进行耐久试验时，再未出现报警喇叭支架断裂的情况。

4 结束语

对报警喇叭支架进行了有限元分析，通过分析再现了故障，依据分析结果提出了改进意见；通过台架试验来验证各种改进方案；最后结合分析与试验结果得到最终改进方案，将最终的改进方案运用于耐久试验，再未出现断裂故障。运用此方法大大缩短了支架改进时间，降低了产品设计与验证的成本，达到了产品分析与试验相结合，为产品设计提供了理论指导，为同类问题的解决提供了工程经验。

【1】张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

【2】李楚琳，张胜兰，冯樱,等.HyperWorks分析应用实例[M].北京:机械工业出版社,2007.

【3】马爱军，周传月，王旭,等.Patran和Nastran有限元分析专业教程[M].北京:清华大学出版社，2005.

Structure Improvement of the Tractor’s Anti-theft Alarm Horn Bracket

DENG Lei1,2，DUAN Longyang1,2， YU Xianzhong1,2，CAI Zhiwu1，JING Juan3

(1.Jiangling Motors Co., Ltd., Nanchang Jiangxi 330052,China;2.Jiangxi Key Laboratory of Vehicle NVH, Nanchang Jiangxi 330052,China;3.Jiangxi Technical College of Manufacturing, Nanchang Jiangxi 330095,China)

A truck’s anti-theft alarm horn bracket occurred fracture during road duration test. The bracket was analyzed by using the finite element software Nastran. According the analysis result, two kinds of new design scheme were put forward.The two kinds of new design scheme were validated by using the bench test and duration test.It is shown that finite element method is an effective method in analyzing and improving the structure design. It provides reference for solving related problems.

Finite element; Anti-theft alarm horn bracket; Structure improvement; Test

2016-12-20

邓磊(1984—)，男，硕士研究生，研究方向为汽车CAE分析。E-mail:dengleileizhanc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.007

U463.65+3

A

1674-1986(2017)04-029-03