?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(jìn)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(yàn)中的開裂原因,并提出改進(jìn)方案,以此與試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)場(chǎng)進(jìn)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(yàn)證初步判斷,決定首先對(duì)后視鏡結(jié)構(gòu)極限工況下強(qiáng)度分析,再進(jìn)行正弦交變載荷下模態(tài)振動(dòng)分析,確定支架開裂原因,并提出改進(jìn)方案,以避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)的盲目性,最后通過臺(tái)架試驗(yàn)、耐久性道路試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)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(yùn)用HyperMesh軟件對(duì)后視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)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?jiǎng)澐忠运倪呅螁卧狢QUAD4為主,過渡單元用三角形單元CTRIA3,裝配螺栓處采用RBE2單元進(jìn)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(shí)體單元進(jìn)行模擬(如圖4-B所示),有限元模型共計(jì)43491個(gè)節(jié)點(diǎn)、92859個(gè)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(gè)方向的平移自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)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(lì)沖擊或振動(dòng)引起的,對(duì)后視鏡總成施加向下5g、向前3g加速度沖擊載荷,利用RADIOSS進(jìn)行非線性靜力求解,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果圖5所示。

圖5后視鏡總成結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度235MPa,滿足強(qiáng)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(qiáng)度應(yīng)該是不成問題的,應(yīng)力都在彈性范圍,無塑性應(yīng)變,因而也就無疲勞損傷問題。但實(shí)際上,有存在支架開裂失效的事實(shí),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(dòng)分析

本文從動(dòng)態(tài)方面著手,對(duì)后視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析,進(jìn)一步查找后視鏡支架失效原因,驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)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(dòng)態(tài)載荷激勵(lì):分別是由車輪傳來的路面不平度的激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的慣性載荷的激勵(lì)、高速行駛時(shí)空氣流動(dòng)的激勵(lì)。所以,后視鏡結(jié)構(gòu)必須具備有與動(dòng)態(tài)激勵(lì)環(huán)境相匹配的動(dòng)力學(xué)特性,必須最大限度地避免結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與激勵(lì)頻率之間的耦合。否則,不平路面行駛或怠速時(shí),后視鏡結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生共振,引起鏡面抖動(dòng)、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(yīng)高于30Hz作為設(shè)計(jì)、分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(cè)點(diǎn)位置示意圖,圖9為各測(cè)點(diǎn)在正弦激勵(lì)下的頻譜響應(yīng),圖10為結(jié)構(gòu)在24Hz激勵(lì)時(shí)的應(yīng)力分布云圖。

圖9各關(guān)鍵點(diǎn)位移、加速度的響應(yīng)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(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率24Hz(本車型采用四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),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(huì)被路況經(jīng)常激勵(lì)的頻率范圍內(nèi),也有與路面激勵(lì)之間耦合的問題。

由圖9可知,在外激勵(lì)24Hz下各測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生較大的響應(yīng),后視鏡前后振動(dòng)比上下振動(dòng)對(duì)后視鏡結(jié)構(gòu)的破壞影響較大。

圖10 應(yīng)力分布云圖

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

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

通過上述計(jì)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(dòng)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(jìn)結(jié)構(gòu),使其結(jié)構(gòu)振動(dòng)第一階頻率提升至30Hz以上為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11 改進(jìn)前后對(duì)比示意圖

圖12 第一階,前后振動(dòng)圖13 第二階,上下振動(dòng)

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(jìn)后則為31.7Hz,提高了10.1Hz,提高幅度達(dá)47%,達(dá)到了性能設(shè)計(jì)的要求。并以此改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)未發(fā)生同型開裂現(xiàn)象,并一次性通過可靠性道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

本文以HyperWorks軟件為分析平臺(tái),運(yùn)用建模功能非常強(qiáng)大的HyperMesh軟件對(duì)后視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力、模態(tài)及正弦交變載荷下振動(dòng)分析,快速識(shí)別出后視鏡支架開裂原因,并及時(shí)提出有效的改進(jìn)方案,以此與試驗(yàn)驗(yàn)證,徹底解決了失效問題,從而實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的成本。

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