有限元分析方法在进气支架强度优化中的应用

刘林

[摘 要]本文以进气系管路固定支架为研究对象，通过测量固定支架在发动机启动、怠速、停止等状态下的振动加速度，分析其在不同状态下受力及振动状态，利用有限元分析方法，查找支架出现断裂故障的原因。根据分析结果，优化零部件，并通过可靠性试验验证固定支架优化后结构能否解决断裂故障。

[关键词]支架 有限元 机械振动 优化设计

中图分类号：TP946 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-00226-02

1.引言

本文研究对象为某重卡车型进气系管路固定支架。固定支架出现断裂故障，支架实际受力情况复杂，且无法采集和分析路谱，因此，本文仅考虑发动机振动对振动系统的影响。首先根据研究对象断裂故障的断口分析，初步判定其失效形式，再根据其所处的特定环境，测量必要的数据，结合有限元软件的应用，建立分析模型，具体分析故障原因，然后根据分析结果，优化研究对象的结构，并通过试验验证故障是否排除。

2.进气系管路固定支架断裂分析

2.1 失效形式

根据失效形式的定义，固定支架的失效形式是整体断裂。通过对失效零部件断口进行分析，初步判断支架断裂是因为在发动机振动情况下，支架受迫振动，受交变应力作用而导致的疲劳破坏。

2.2 原因分析

零部件可靠性受材料、结构及工况等众多因素影响，本文拟从材料、共振、应力等方面进行分析，确认材料是否满足设计要求，是否存在共振风险及应力是否超过材料屈服极限。

2.2.1 材料化学成分

本文研究对象为金属支架，材料为Q235，属普通碳素结构钢，其屈服极限在235MPa左右，当其材料化学成分不满足要求时，其力学性能将受影响。如碳和硫，随碳含量的增加，钢材的硬度和强度得到提高，但塑性和韧性降低；而硫为有害元素，使钢材出现热脆现象。

为确认所用材料是否满足技术要求，对支架材料进行抽样试验，实验报告显示，试验件材料碳含量为0.19%，硫含量为0.014%，满足设计技术要求。

2.2.2 共振

为进一步确认固定支架断裂故障的原因，将支架实际装车状态进行抽象化建模，形成可分析的理论分析模型。进行模态分析，分析结果如图（1）。从结果看出，支架的固有频率分别为28Hz。而研究对象应用于车型G1K33，该车型发动机为四缸机，发动机每个工作循环曲轴转动2圈，即每个工作循环振动两次。发动机最高转速为2300r/min，所以发动机的振动频率ωmax=77Hz。

当激励频率ω与系统固有频率ωn相等时称为共振。激励频率ω与系统固有频率ωn之比称为频率比λ（λ=ω/ωn）。工程中常取0.75<λ<1.25的区间为共振区，在此区间内振动都很强烈。

对比研究对象模型固有频率ωn和发动机振动频率ω，当发动机的频率为21Hz——35Hz，即发动机转速为627r/min——1045r/min時，处于共振区间内，此时固定支架存在共振风险。

2.2.3 应力分析

由于车辆在正常行驶过程中，发动机转速多处于经济转速区。由于发动机经济转速区域为1200r/min——1700r/min，此时发动机振动频率为40Hz——57Hz，该频率区间为非振动区，则在此转速区间内无共振现象。

为确认发动机在经济转速区间内，支架是否会因受应力过大而出现疲劳破坏。从理论模型可以看出，支架和管路组成的系统为单自由度受迫振动系统。研究对象可简化成悬臂梁结构，支架即为悬臂梁，支架本身起着弹簧的作用。当管路及支架系统振动时，支架受弯矩作用，在螺栓固定处应力最大。通过测量车辆静态时，发动机在不同转速状态下，支架和管路振动系统的振动加速度为a=50m/s2，计算支架的受力情况，进而计算支架危险面上的最大应力。

使用有限元分析软件Hyperworks进行应力分析，分析结果如图（2）。

从实验结果看出，支架危险面的应力值σ=174MPa。危险面位于螺栓固定处。

通过对支架材料进行拉伸实验，测得其屈服强度σs=241MPa。故安全系数S=1.3（受交变应力作用零件的疲劳强度安全系数大于1.5）。

2.3 结论

通过对振动系统固有频率及激励频率（发动机振动频率）的对比及对支架和管路系统在振动情况下应力的分析，支架断裂故障时由于强度不足及共振共同作用的结果。

失效件材料与设计要求相一致，不是导致零件失效的原因；该零件为振动情况下，共振及弯矩作用导致的疲劳断裂，疲劳源位于支架固定螺栓处。

3.对支架优化设计

从上述结论看，支架在激励频率低时出现共振，在激励频率高时危险面应力过大出现疲劳破坏，因此要解决支架断裂故障，需从振动系统固有频率及支架强度两方面进行优化。

3.1 优化设计方案

修改支架结构，由于支架为悬臂梁结构，在振动系统中起弹簧作用，此时系统的振动频率：

（1）

其中，EJ为抗弯刚度，m为管路等效质量，l为支架长度。

要避免出现共振，那么必须增大支架的固有频率。由于受空间位置和管路布置的限制，管路质量m和支架长度l无法更改，因此，要达到增大支架固有频率的目的，必须通过增大支架的抗弯刚度来实现。

要增大支架的强度，可通过增加加强筋结构来实现，并且可通过改用屈服强度更高的材料的方式来进一步提高支架的强度。综合上述优化方案，将支架结构进行优化，并将支架材料改为510L。

3.2 优化方案验证

将优化后支架建立分析模型，进行模态分析及应力分析，分析结果如图（3）和如图（4）。

从上述分析结果可以看出，支架结构优化后，振动系统的固有频率由原来的28Hz增加到84Hz，有效地避免了共振带来的疲劳破坏，最大应力处应力值σ由174MPa下降到48MPa。此时安全系数S=5.8，当材料采用510L时，安全系数S=7.4。即支架结构优化后，固有频率和安全系数增加，支架可靠性大大提高。

按优化后方案制作实物样件，进行实车可靠性验证，未出现任何形式失效。因此，优化后方案能有效解决支架整体断裂故障，满足设计要求。

4.总结

本文以重卡进气系管路固定支架为研究对象，分析支架整体断裂失效的原因，分别从材料、共振、应力等方面逐一分析，明确出现断裂失效的发生机理。然后根据分析结果，提出优化方案，并通过可靠性验证方式的可行性，最终达到解决实际问题的目的。

参考文献

[1] 濮良贵.《机械设计》高等教育出版社.

[2] 张义民.《机械振动学基础》高等教育出版社.

[3] 王望予.《汽车设计》机械工业出版社.

[4] 熊伟.《压缩机支架断裂发生机理及控制措施》重庆大学学报.endprint