?HyperWorks后視鏡支架開裂分析

2017-01-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:本文以HyperMesh前處理軟件建立了后視鏡結構有限元模型,采用RADIOSS求解器,進行非線性靜力、模態等分析,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構的基礎上附加觀地鏡(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構極限工況下強度分析,再進行正弦交變載荷下模態振動分析,確定支架開裂原因,并提出改進方案,以避免產品設計改進的盲目性,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

根據三維模型運用HyperMesh軟件對后視鏡結構進行有限元建模,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個節點、92859個單元。后視鏡支架模型中所用材料性能參數見表1。

表1后視鏡支架材料的參數

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,后視鏡支架結構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,其結構強度分析結果圖5所示。

圖5后視鏡總成結構應力分布云圖(圖中單位:MPa)

由圖5可知,后視鏡支架結構的最高應力值為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,后視鏡支架結構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振動分析

本文從動態方面著手,對后視鏡結構進行動態特性分析,進一步查找后視鏡支架失效原因,驗證設計能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結構破壞。

在車輛行駛過程中,后視鏡主要受到三種類型的動態載荷激勵:分別是由車輪傳來的路面不平度的激勵、發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,后視鏡結構必須具備有與動態激勵環境相匹配的動力學特性,必須最大限度地避免結構模態頻率與激勵頻率之間的耦合。否則,不平路面行駛或怠速時,后視鏡結構會產生共振,引起鏡面抖動、結構破壞等不良問題。因此,模態分析是后視鏡結構中最為重要的分析內容之一。通常后視鏡結構的模態頻率值至少應高于30Hz作為設計、分析的評價指標之一。圖6、7為后視鏡結構約束模態分析結果,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為結構在24Hz激勵時的應力分布云圖。

圖9各關鍵點位移、加速度的響應曲線

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

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

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,結構在正弦激勵下的響應分析能定性定量地分析結構的應力場,從而判斷結構的強度性能。

4 結構改進分析

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

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,原后視鏡結構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%,達到了性能設計的要求。并以此改進結構進行振動臺架試驗未發生同型開裂現象,并一次性通過可靠性道路試驗驗證。

5 結束語

本文以HyperWorks軟件為分析平臺,運用建模功能非常強大的HyperMesh軟件對后視鏡結構進行網格劃分、施加邊界條件等,極大地提升了前處理工作效率,再利用RADIOSS求解器對其結構進行非線性靜力、模態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,從而實現縮短產品開發周期、降低產品設計與驗證的成本。

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