某重型卡车空滤器过渡支架断裂分析与优化

贺洋洋，丁介然，王琼，屈闯，徐信万，李慧

（陕西万方汽车零部件有限公司，陕西 西安 710200）

引言

重型卡车在行驶过程中，由于地面不平整、轮胎跳动以及发动机内部组件运行的内外部因素的出现，往往需要承受不同程度、不同类型的激励[1]。即使在投入市场前已在试验场对整车进行了一系列的强化路面测试验证，但仍会有一些行驶于极其崎岖道路的车辆发生内部附件断裂的现象。

1 三维模型的建立

空滤器过渡支架作为车身附件的重要组件，具有连接车架与空滤器的桥梁作用。现就过渡支架装车行驶过程中出现的断裂现象进行原因分析与优化改进，过渡支架三维模型如图1所示。图（a）为原结构，红色线圈为过渡支架的实际断裂区域，图（b）为优化结构，基于原结构的基础上进行了两方面的优化改进：一是提高断裂区域附近的截面，二是提高模型另一侧的截面同时增加一条斜筋。

图1 三维模型

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

首先基于三维软件 CATIA的智能化测绘功能输出空滤器结构的质心坐标，其次将过渡支架及辅助支架另存为.stp格式文件导入到有限元软件HyperMesh中，其中辅助支架为薄壁类部件，抽取中面后用Shell单元进行网格划分[2]，过渡支架为铸造件，用四面体网格进行划分并转二阶。空滤器结构较为复杂，将其进行简化建模，用集中质量点代替空滤器结构。

2.2 模型材料及分析工况

2.2.1 材料选用

空滤器过渡支架采用的材料为 RZG310-570，其密度为7860 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为310 MPa，抗拉强度为570 MPa。

2.2.2 边界条件设置

约束与车架连接孔的6个自由度，在空滤器质心处添加15 kg的质量点，最后对创建好的有限元模型施加Z向-10 g的重力加速度进行有限元分析，有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

2.3 原结构有限元分析

通过 OptiStruct求解器进行求解得到过渡支架原结构的位移云图和应力云图如图3所示。

图3 原结构分析结果

由位移云图可知，过渡支架原结构最大位移为13.10 mm，位移较大；由应力云图可知，过渡支架最大应力为346.28 MPa，最大应力集中位置与实际断裂区域完全吻合，且最小安全系数为0.9＜1。

2.4 优化结构有限元分析

在不改变材料参数及边界条件的前提下，对优化后的过渡支架进行有限元分析，得到的位移云图和应力云图如图 4所示[3-4]。

图4 优化结构分析结果

由位移云图可知，过渡支架优化结构最大位移为7.20 mm；由应力云图可知，优化结构最大应力为208.03 MPa，最大应力集中位置成功避开了实际断裂区域，且最小安全系数为1.49＞1。

通过对比过渡支架原结构与优化结构可知，优化结构最大位移相比原结构减小5.90 mm，刚度性能提升45%，优化结构最大应力相比原结构减小138.25 MPa，最小安全系数相比原结构提升66%。优化结构力学性能明显优于原结构，满足使用要求，优化结构合理。

3 结论

本研究通过有限元分析软件HyperMesh建立了空滤器过渡支架的有限元模型，对其进行静力学分析验证，成功查找到了其断裂的真实原因。根据分析结果在原结构的基础上进行优化改进，并对优化后的结构进行有限元分析验证，通过验证表明了此优化结构的可行性。

通过对空滤器过渡支架的成功优化，为类似支架优化改进奠定了坚实的基础，同时也提供了一定的理论依据。