电动车载空气过滤装置的有限元疲劳寿命仿真分析

刘邵宏,杜群贵

(1.广东南华工商职业学院，广东广州 510507;2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510641)

电动车载空气过滤装置的有限元疲劳寿命仿真分析

刘邵宏1,杜群贵2

(1.广东南华工商职业学院，广东广州 510507;2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510641)

基于名义应力有限元疲劳分析法对目前电动车上的通用部件空气过滤装置进行疲劳寿命仿真分析。它是综合ANSYS模态分析、谐响应分析及Fatigue工具的有限元疲劳分析集成仿真方法。结果表明：在法兰连接孔处是疲劳破坏的危险处，其疲劳寿命满足实验台振动疲劳寿命的试验要求。研究方法为类似高分子材料的零部件动力学性能分析及寿命设计提供了参考。

有限元分析；疲劳寿命；高分子材料；电动车部件

0 引言

纯电动汽车已成为新能源汽车发展的主要方向，其车载空气过滤装置在工作过程中固定端受到来自路面不平度振动，容易在螺栓固定连接孔附近发生疲劳破坏。由于对螺栓固定的复杂截面梁的振动特征值和模态解析求解具有较大难度[1],故作者将借助有限元分析方法将工程疲劳理论研究成果推广到复杂工程结构[2]。

目前振动疲劳所关心的问题集中于加载频率对结构疲劳特性的影响[3]，该问题需要考虑结构振动特性对振动响应所导致的疲劳破坏具有主要作用或具有不可忽略的影响时会发生高周疲劳断裂。王转通过升降法试验得出ABS材料在8个交变频率下的应力疲劳曲线，结果为：在5～25 Hz频率范围下，疲劳强度与交变应力的频率无关[4]。王锦丽等在研究加载频率对悬臂梁振动疲劳特性的影响问题中得出：对于相同初始应力、不同激励频率的振动，当加载频率在悬臂梁结构固有频率附近时，对振动疲劳特性有较大影响。尤其是在保证初始应力相等的条件下( 激励能量不同) ，当激振频率等于试样固有频率时，悬臂梁结构的抗振动疲劳性能最好；当激振频率高于试样固有频率时，悬臂梁结构的抗振动疲劳性能次之；当激振频率低于试样固有频率时，悬臂梁结构的抗振动疲劳性能最差[5]。以上研究说明，当激振频率远离结构固有频率时，结构疲劳与激振频率无关，只与应力幅值σa或名义应力幅值Sa以及平均应力σm有关。而当接近结构固有频率时，即使最大应力值较低也因共振发生疲劳断裂。

1 分析流程

首先在ANSYS中对该装置进行模态分析，得出结构模态振型，根据分析判断激振频率是否与固有频率接近或相交来判断是否共振，如果没有发生共振则进行谐响应分析并结合静应力分析的名义应力校核，根据材料S-N曲线，在Fatigue Tool中分析其疲劳寿命。否则进行参数优化，避开共振。分析流程见图1。

图1 疲劳寿命分析流程

2 谐响应分析理论

谐响应分析用于确定结构在已知正弦(简谐)载荷作用下响应，其输入为已知大小和频率的谐波载荷，有如下动力学通用方程：

(1)

其中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵矩阵；K为刚度矩阵；Fsin(t)为外部激励。

此装置受到来自于基础的位移激励，可简化为如图2所示的单自由度振动系统，则式(1)可简化为：

(2)

其中位移激励为：

xH=Hsin(ωt)

(3)

式中：m、k、c分别为结构等效质量、等效刚度和等效阻尼；H为位移激励幅值。

图2 单自由度系统位移振动

公式(2)的稳态解[6]为：

x=Bsin(ωt-φ)

(4)

其中振幅B为：

(5)

式中：ξ为阻尼率；z为频率比。公式(5)可转换为：

(6)

式中：β为振幅比或振幅放大因子。

分别对式(3)、式(4)求2阶导数得到相应位移激励加速度和反应加速度公式：

(7)

(8)

公式(7)、(8)的峰值位移加速度和峰值反应加速度分别为：

(9)

(10)

由公式(10)可知：β也是加速度放大因子。

位移激振作用在结构上的峰值反应载荷可由下式[7]求出：

(11)

式中：m为结构等效质量。

由公式(10)和公式(11)计算出峰值反应加速度和峰值反映载荷，作为谐响应分析的输入。其中频率比z可用模态分析得出。

3 模型结构和载荷描述

该装置主要有外壳、端盖和滤芯等组成，其三维模型如图3所示。振动载荷来自外壳端部4个固定螺栓，方向为重力方向。

图3 装置三维模型

4 导入几何体并添加材料

将三维模型导入ANSYS软件，分别定义外壳、滤芯和螺栓材料属性，材料属性见表1。

表1 材料性能表

其中外壳和端盖材料的疲劳寿命按三参数式拟合的应力疲劳公式(12)或(13)[8]计算：

(12)

或

Nf=1 001 070(Sa-11.004 5)-2

(13)

式中：Sa为名义应力幅；Nf为对该应力幅下的疲劳寿命次数。疲劳寿命曲线见图4。

图4 外壳材料疲劳寿命曲线

5 ANSYS网格划分

采用自动划分网格，法兰附近局部网格加密，生成网格数量175 926，节点296 587。生成的网格子模型如图5所示。

网格质量分布如图6所示，可知：绝大多数网格Mesh Metrics(网格指标)值接近1，说明绝大多数网格质量较好。

图6 网格质量分布图

6 ANSYS模态分析

在端部4个固定螺栓孔处添加固定约束。添加一个“Acceleration”载荷，“Z Component”输入“9.81 m/s2”。分析得出前6阶模态振型如图7—9所示。表2为前6阶模态频率及振型。由于分析得到的结构基频(100.27 Hz)为激振频率的2倍，故不会发生共振。

图7 第1阶振型

图8 第2阶振型

7 ANSYS谐响应分析

反应加速度幅值：

反应载荷幅值：

设置谐响应Z向加速度值为78.2 m/s2，频率50 Hz,分析得到该载荷下应力和位移云图分别如图10—11所示。其中图10显示最大应力幅值为Sa=4.490 3 MPa。

图10 等效应力云图

8 疲劳分析

由图10所示的最大应力幅值，按公式(14)[9]可计算出应力安全系数Xs为:

(14)

式中：Sac=11.004 5 MPa，为以应力幅表示的理论疲劳强度。

设置反应载荷F，进行静应力分析后插入Fatigue Tool，分析结果如图12所示，显示热点在设计寿命为1×109次循环下的疲劳应力安全系数值为2.38，与式(8)计算相比误差为3%。分析结果满足位移激励下的振动疲劳测试寿命要求。

图12 应力安全系数云图

9 结论

针对普遍存在的电动车载高分子聚合物材料的零部件振动疲劳研究，利用名义应力法进行有限元疲劳寿命分析和校核，为大量类似电动车载零部件的疲劳校核和设计提供了一定的参考。

[1]潘旦光,吴顺川,张维.变截面Timoshenko悬臂梁自由振动分析[J].土木建筑与环境工程,2009,31(3):25-28.

PAN D G,WU S C,ZHANG W.Free Vibration of Non-uniform Timoshenko Cantilever Beams[J].Journal of Civil, Architectural amp; Environmental Engineering,2009,31(3):25-28.

[2]刘文光,陈国平,贺红林,等.结构振动疲劳综述[J].工程设计学报,2012,19(1):1-6.

LIU W G,CHEN G P,HE H L,et al.Review of Studying on Vibration Fatigue[J].Journal of Engineering Design,2012,19(1):1-6.

[3]刘江华.振动疲劳特性的频率效应与寿命预估研究[D].西安:西北工业大学,2008.

[4]王转.聚合物ABS的应力疲劳性能与交变应力频率的关系[J].贵州大学学报(自然科学版),2013,30(4):114-118.

WANG Z.Polymer ABS Stress Fatigue Properties and Alternating Stress Frequency[J].Journal of Guizhou University(Natural Science),2013,30(4):114-118.

[5]王锦丽,李玉龙,胡海涛,等.加载频率对悬臂梁振动疲劳特性的影响[J].振动与冲击,2011,30(6):243-247.

WANG J L,LI Y L,HU H T,et al.Effect of Load Frequency on Vibration Fatigue Behavior of Cantilever beam[J].Journal of Vibration and Shock,2011,30(6):243-247.

[6]毛君.机械振动学[M].北京:北京理工大学出版社,2016:38-39.

[7]刘庆林.传统反应谱CQC法研究和改进[D].杭州:浙江大学,2007:7-8.

[8]王转.聚合物ABS在对称循环交变应力作用下的应力疲劳性能及缺口敏感性研究[D].贵阳:贵州大学,2008:23.

[9]DOWLING N E.Mechanical Behavior of Materials Engineering Methods for Deformation,Fraction,and Fatigue[M].北京:机械工业出版社,2016:290.

FEM-basedFatigueSimulationAnalysisofanAirFilterUnitonElectrocar

LIU Shaohong1, DU Qungui2

(1.Guangdong Nanhua Industry amp; Commerce Vocational Collage, Guangzhou Guangdong 510507,China; 2.College of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641,China)

The FEM-based fatigue analysis method and procedure on nominal stress theory were described though an electrocar components named air filter unit. The method was integrated with modal analysis, harmonic response analysis and Fatigue tool. The results show that the fatigue life of hot spots at flange holes matches the test requirement. It is useful to the fatigue analysis for automobile components with macromolecule polymer materials.

FEM analysis;Fatigue life;Macromolecule materials;Electrocar components

O242.21；U463.1

A

1674-1986(2017)11-022-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.005

2017-06-22

广东省自然科学基金(2016A030313514)

刘邵宏(1972—)，男，工学硕士，讲师、工程师，研究方向为误差及振动对机械传动精度影响和控制策略。E-mail：liugong71@163.com。