1 引言

    在某卡車的整車開發過程中，多臺車在進行45000Km耐久試驗時空氣濾清器支架出現開裂，在對支架進行制造、裝配、工藝等方面的檢查后，認為該支架在設計方面存在問題。為了保證項目節點時間，縮短改進周期，掌握改進方向，應用Nastran軟件對現有結構進行振動分析，并進行臺架試驗，最后將改進后的結構進行整車耐久試驗驗證。

圖1 支架開裂圖片

2 測試支架振動頻率及振幅

    通過分析知道，在靜態下此支架無斷裂風險，初步判斷此次斷裂由于振動導致，因此對此支架進行頻率響應分析。

    進行頻率響應分析時，為了更好的還原支架破裂的原因，同時得到更準確的CAE分析輸入條件，測試該支架在試驗場的各種壞路狀況下的振動頻率及振幅，得到支架安裝點在長波路、扭曲路、長搓板路、短搓板路、凸塊路、短波路、石塊路七種路況下的振幅一頻率曲線作為后期CAE分析及臺架試驗的依據。

    測試結束后發現在直搓板路上X向振動最大，為0.85G。

圖2 支架安裝點直搓板路振動頻譜

3 有限元模型的建立

3.1有限元模型的前處理

    在整個有限元求解過程中最重要的環節是有限元前處理模型的建立。包括幾何建模、定義材料屬性和實常數（要根據單元的幾何特性來設置，有些單元沒有實常數）、定義單元類型，網格劃分、添加約束與載荷等。

    本次有限元分析前處理在HyperMesh中進行，因為HyperMesh是一個高性能的有限元前處理軟件，具有強大的幾何清理和網格劃分功能并能有效的模擬各種零件的連接方式，如剛性連接、螺栓連接、彈簧連接等等。

    后處理在Nastran中進行，Nasran具有很高的軟件可靠性，品質優秀，得到有限元行業界的肯定，眾多汽車公司在工業行業都用Nasran的計算結果作為標準。

3.2載荷及約束的定義

    進行頻率響應分析時，對支架安裝點進行全約束，同時在安裝位置施加加速度激勵，方向X\Y\Z三方向，大小參照試驗過程中對試驗場各種路況下的測試，取1G加速度。

    最終施加完載荷與邊界條件的模型如圖3所示。

圖3 空濾支架有限元模型

3.3提交計算

    將前處理好的有限元模型提交到Nasran軟件進行計算，得到支架在X、Y、Z三個方向對應頻率下的最大應力云圖。

4 顯示結果

    將已處理好的有限元模型提交到求解器進行計算，并通過Hyperview軟件讀取結果，由于在X向激勵下的應力遠大于Y、Z兩個方向，故只顯示X向激勵下的分析結果。

圖4 原始結構X向激勵下的應力云圖

    在21HZ時，在前后方向（X向）1G加速度的激勵下空濾支架斷裂處應力達到253MPa，出現位置與實際斷裂相吻合。該支架的材料為Q235。查閱相關資料可以得知該材料的屈服極限為235MPa。而通過分析得到的該支架最大應力超過了材料屈服強度，判定存在較大風險，達到了分析仿真故障再現的目的。

5 兩種改進方案的提出

    由于支架在汽車上布置空間有限，故根據CAE分析結果，提出兩種改進方案，如圖5、圖6所示：

圖5 改進方案一示意圖

    改進方案一中，支架做成一個整體式，支架本體厚度為3.0mm，質量為6.2Kg。

圖6 改進方案二示意圖

    改進方案二中，支架直接改為管狀支架，管子厚度為2.0mm，底座厚度為1.5mm，安裝孔部位厚度為2.0mm。支架總成重量為5.5Kg。

    運用同樣的分析方法，對改進后的兩種方案進行計算，并讀取結果。

    方案一X向加速度激勵下的分析結果如圖7所示：

圖7 方案一的應力云圖

    方案一在28HZ時，最大應力達到191MPa，超過了材料屈服強度的70%，認為在該結構還存在一定的風險。

    方案二X向加速度激勵下的分析結果：

圖8 方案二的應力云圖

    方案二在31HZ時，最大應力為119MPa，小于材料屈服強度的70%，判定認為該結構滿足設計要求，選用該方案作為最終改進方案。

6 臺架試驗

    為了驗證改進結構，對最終選用的改進結構進行臺架試驗。試驗方法參照JIS標準，首先進行共振點檢測試驗，得到X/Y/Z三個方向的共振頻率，然后實施振動耐久試驗。

表1 臺架試驗振動頻率及時間

    試驗判斷基準：試驗后測試功能必須滿足要求，外觀不可變形及破損。

圖9 試驗工裝圖片

    通過臺架試驗我們可以知道，最終所選用的方案順利的通過了嚴格的JIS標準。

    結合分析結果及臺架試驗結果，最終選定改進方案二（支架結構改為管狀結構）作為改進結構，進行設計變更，將設變后的支架應用于后續耐久試驗車輛上，進行耐久試驗時，再未出現空氣濾清器支架斷裂的情況。

7 結束語

    運用先進的CAE手段對空氣濾清器支架進行分析，再現了試驗故障，依據分析結果提出了改進方案，對改進方案進行了再次分析，依據分析結果從改進方案中選取了最優方案，最后將選用的改進方案進行臺架試驗，該方案順利通過了嚴格的JIS臺架振動試驗，最終將此支架進行設計變更并運用于耐久試驗，后續該支架再未出現斷裂故障。運用此方法大大縮短了支架改進時間，降低了產品設計與驗證的成本，同時將振動分析與臺架試驗結合進行，為產品設計提供了理論與試驗指導，為同類問題的解決提供了工程經驗。

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本文標題：空氣濾清器支架強度分析及結構改進

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