?HyperWorks后視鏡支架開裂分析

2017-01-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:本文以HyperMesh前處理軟件建立了后視鏡結(jié)構(gòu)有限元模型,采用RADIOSS求解器,進行非線性靜力、模態(tài)等分析,探討后視鏡支架在可靠性道路試驗中的開裂原因,并提出改進方案,以此與試驗驗證,徹底解決了失效問題。

1 開裂問題描述

某輕型工程車在海南試驗場進行5萬公里可靠性道路中,出現(xiàn)后視鏡支架撕裂情況,如圖1所示。最初判斷失效原因是由于在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上附加觀地鏡(如圖2所示)后,引起支架承載性能不足造成的開裂現(xiàn)象。為了解決開裂問題及驗證初步判斷,決定首先對后視鏡結(jié)構(gòu)極限工況下強度分析,再進行正弦交變載荷下模態(tài)振動分析,確定支架開裂原因,并提出改進方案,以避免產(chǎn)品設(shè)計改進的盲目性,最后通過臺架試驗、耐久性道路試驗驗證改進方案的可行性。

2 基于考慮沖擊載荷下非線性靜力分析

根據(jù)三維模型運用HyperMesh軟件對后視鏡結(jié)構(gòu)進行有限元建模,如圖3所示。在有限元模型中,采用四面體單元TETRA4,鈑金件的單元劃分以四邊形單元CQUAD4為主,過渡單元用三角形單元CTRIA3,裝配螺栓處采用RBE2單元進行模擬,支架與支座焊接采用Seam方式Penta+Rbe3單元模擬(如圖4-A所示),玻璃與鏡框采用膠粘實體單元進行模擬(如圖4-B所示),有限元模型共計43491個節(jié)點、92859個單元。后視鏡支架模型中所用材料性能參數(shù)見表1。

表1后視鏡支架材料的參數(shù)

名稱	材料	密度(T/mm3)	彈性模量(GPa)	泊松比	屈服極限(MPa)
鋼材	Q235	7.8×10-9	210	0.3	235

在建立好的有限元模型上施加約束定義,在支座裝配螺栓處分別約束其在XYZ三個方向的平移自由度和轉(zhuǎn)動自由度,模擬后視鏡固定于車身。一般情況下,后視鏡支架結(jié)構(gòu)的斷裂失效通常是由外激勵沖擊或振動引起的,對后視鏡總成施加向下5g、向前3g加速度沖擊載荷,利用RADIOSS進行非線性靜力求解,其結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果圖5所示。

圖5后視鏡總成結(jié)構(gòu)應力分布云圖(圖中單位:MPa)

由圖5可知,后視鏡支架結(jié)構(gòu)的最高應力值為147MPa,位于圓管支架與底座焊接處,與開裂部位一致,其應力水平低于材料的屈服強度235MPa,滿足強度性能要求。從非線性靜力分析的角度來看,后視鏡支架結(jié)構(gòu)強度應該是不成問題的,應力都在彈性范圍,無塑性應變,因而也就無疲勞損傷問題。但實際上,有存在支架開裂失效的事實,因此,僅從非線性靜態(tài)分析、疲勞仿真手段并不能確定開裂原因及解決失效問題。

3 基于正弦交變載荷的模態(tài)振動分析

本文從動態(tài)方面著手,對后視鏡結(jié)構(gòu)進行動態(tài)特性分析,進一步查找后視鏡支架失效原因,驗證設(shè)計能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結(jié)構(gòu)破壞。

在車輛行駛過程中,后視鏡主要受到三種類型的動態(tài)載荷激勵:分別是由車輪傳來的路面不平度的激勵、發(fā)動機工作時的慣性載荷的激勵、高速行駛時空氣流動的激勵。所以,后視鏡結(jié)構(gòu)必須具備有與動態(tài)激勵環(huán)境相匹配的動力學特性,必須最大限度地避免結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與激勵頻率之間的耦合。否則,不平路面行駛或怠速時,后視鏡結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共振,引起鏡面抖動、結(jié)構(gòu)破壞等不良問題。因此,模態(tài)分析是后視鏡結(jié)構(gòu)中最為重要的分析內(nèi)容之一。通常后視鏡結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率值至少應高于30Hz作為設(shè)計、分析的評價指標之一。圖6、7為后視鏡結(jié)構(gòu)約束模態(tài)分析結(jié)果,圖8為各測點位置示意圖,圖9為各測點在正弦激勵下的頻譜響應,圖10為結(jié)構(gòu)在24Hz激勵時的應力分布云圖。

圖9各關(guān)鍵點位移、加速度的響應曲線

由模態(tài)分析及圖6、7可知,后視鏡結(jié)構(gòu)前后振動頻率與發(fā)動機怠速頻率24Hz(本車型采用四缸四沖程發(fā)動機,其怠速為725r/min)一致,發(fā)生共振現(xiàn)象。另外,后視鏡結(jié)構(gòu)前兩階頻率21.6Hz、24Hz,落在會被路況經(jīng)常激勵的頻率范圍內(nèi),也有與路面激勵之間耦合的問題。

由圖9可知,在外激勵24Hz下各測點產(chǎn)生較大的響應,后視鏡前后振動比上下振動對后視鏡結(jié)構(gòu)的破壞影響較大。

圖10 應力分布云圖

由圖10可知,在外激勵24Hz下的最高應力值為403MPa,遠高于材料的屈服強度,與開裂部位一致,因此,結(jié)構(gòu)在正弦激勵下的響應分析能定性定量地分析結(jié)構(gòu)的應力場,從而判斷結(jié)構(gòu)的強度性能。

4 結(jié)構(gòu)改進分析

通過上述計算可以得出結(jié)論,后視鏡圓管支架的斷裂是由于結(jié)構(gòu)振動與不平路面行駛或怠速產(chǎn)生共振引起的結(jié)構(gòu)破壞。為了徹底解決結(jié)構(gòu)的失效問題,作者提出了如圖11所示的改進結(jié)構(gòu),使其結(jié)構(gòu)振動第一階頻率提升至30Hz以上為優(yōu)化設(shè)計目標。

圖11 改進前后對比示意圖

圖12 第一階,前后振動圖13 第二階,上下振動

由圖12、13及表2可知,原后視鏡結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率為21.6Hz,改進后則為31.7Hz,提高了10.1Hz,提高幅度達47%,達到了性能設(shè)計的要求。并以此改進結(jié)構(gòu)進行振動臺架試驗未發(fā)生同型開裂現(xiàn)象,并一次性通過可靠性道路試驗驗證。

5 結(jié)束語

本文以HyperWorks軟件為分析平臺,運用建模功能非常強大的HyperMesh軟件對后視鏡結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分、施加邊界條件等,極大地提升了前處理工作效率,再利用RADIOSS求解器對其結(jié)構(gòu)進行非線性靜力、模態(tài)及正弦交變載荷下振動分析,快速識別出后視鏡支架開裂原因,并及時提出有效的改進方案,以此與試驗驗證,徹底解決了失效問題,從而實現(xiàn)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品設(shè)計與驗證的成本。

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