1 工程背景

    江鈴某車型樣車后保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在45000km耐久試驗(yàn)中，右后保安裝支架加強(qiáng)鈑開裂，左、右后保安裝支架安裝處開裂。其中耐久試驗(yàn)工況包括：壞路、越野路、高速、山路和平路。失效照片見圖1和圖2。

圖1 支架開裂處

圖2 車架尾端開裂處

    本文將基于頻率響應(yīng)分析方法，對(duì)該后保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。找出其開裂失效的原因，并提出改進(jìn)意見。

2 有限元模型的建立

2.1有限元網(wǎng)格劃分

    后保險(xiǎn)杠系統(tǒng)3D數(shù)模見圖3。本文采用Hypermesh前處理軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于主要考察后保險(xiǎn)杠附近車架處的受力狀態(tài)，本次分析只截取部分車架模型進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格大小2mm。單元類型S4、S3。車架和后保的材料性能見表1。采用大型通用有限元軟件Nastran進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

表1 車架和后保的材料性能

圖3 后保險(xiǎn)杠3D數(shù)模

2.2邊界條件

    為了考察后保支架的響應(yīng)情況，車架是主要激勵(lì)源，故把激振點(diǎn)放置在車架上。見圖4。

圖4 有限元模型

3 數(shù)值分析結(jié)果

    在耐久試驗(yàn)中，后保險(xiǎn)杠會(huì)受到X、Y、Z向的共同激勵(lì)而發(fā)生響應(yīng)。為考察后保險(xiǎn)杠在各向的頻率響應(yīng)水平，對(duì)后保險(xiǎn)杠分別X、Y、Z向的頻率響應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果見表2。路譜測(cè)試結(jié)果中，在28和59HZ附件有加速度峰值出現(xiàn)，與計(jì)算結(jié)果的響應(yīng)頻率較吻合。路譜測(cè)試結(jié)果見圖5。

表2 后保險(xiǎn)杠X、Y、Z的頻率響應(yīng)結(jié)果

圖5 路譜測(cè)試

    根據(jù)X、Y、Z向模態(tài)頻響分析中最大應(yīng)力值和所在頻率及路譜測(cè)試結(jié)果，判斷后保險(xiǎn)杠支架斷裂主要由Y向振動(dòng)引起。為確保安全系數(shù)，此后分析均為YZ向模態(tài)頻響分析

3.1后保險(xiǎn)杠YZ向頻響分析

    根據(jù)初步分析，后保險(xiǎn)杠在Y向26.02HZ頻率激勵(lì)下響應(yīng)最大，在60HZ附近也有峰值出現(xiàn)。為重現(xiàn)后保險(xiǎn)杠失效模式，對(duì)其進(jìn)行YZ向同時(shí)激勵(lì)的頻響分析，激勵(lì)加速度為1G。有限元分析結(jié)果如圖6，圖7所示。

圖6 后保險(xiǎn)杠支架處應(yīng)力云圖

圖7 車架與后保險(xiǎn)杠連接處應(yīng)力云圖

    26Hz頻率時(shí)，后保險(xiǎn)杠支架開裂處在1G加速度荷載激勵(lì)下最大應(yīng)力為504MPa，遠(yuǎn)超過材料的屈服強(qiáng)度。車架與后保險(xiǎn)杠連接處最大應(yīng)力為261.9MPa，出現(xiàn)在與實(shí)際斷裂位置相同處。仿真計(jì)算結(jié)果重現(xiàn)了故障失效模式。兩個(gè)失效點(diǎn)位置最大應(yīng)力均發(fā)生在26HZ頻率下，與路譜峰值處頻率吻合。后保險(xiǎn)杠失效是由于共振引起的，需通過改變后保險(xiǎn)杠模態(tài)頻率，從而避開共振頻率。

4 提出改進(jìn)方案并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算

    為避開共振頻率，需改進(jìn)后保險(xiǎn)杠支架Y向剛度。且后保險(xiǎn)杠支架開裂處應(yīng)力很大，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。車架貼板布置方式不合理，也是導(dǎo)致車架處開裂的原因。需要對(duì)貼板布置方式進(jìn)行改進(jìn)。具體改進(jìn)方案見圖8。

圖8 改進(jìn)方案示意圖

圖9 改進(jìn)方案計(jì)算結(jié)果

    改進(jìn)方案最大應(yīng)力出現(xiàn)在38HZ附近，后保險(xiǎn)杠支架處最大應(yīng)力為228.6MPa，車架與貼板邊緣處最大應(yīng)力為67MPa。根據(jù)路譜測(cè)試數(shù)據(jù)（圖5），在38HZ處對(duì)應(yīng)的加速度峰值很小。故在實(shí)際工況中，改進(jìn)方案后保險(xiǎn)杠支架及車技處所受力會(huì)更小。判斷該改進(jìn)方案能夠滿足耐久測(cè)試要求。

5 結(jié)論

    根據(jù)改進(jìn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，并制造樣件裝配在樣車上進(jìn)行耐久測(cè)試。新改進(jìn)方案后保險(xiǎn)杠未出現(xiàn)開裂失效，順利通過了45000km耐久試驗(yàn)。通過先進(jìn)的有限元技術(shù)，重現(xiàn)了后保險(xiǎn)杠故障失效模式并提出改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從中選擇最優(yōu)的改進(jìn)方案。這種方法大大縮短了工程問題的解決周期，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及樣件生產(chǎn)的成本，更及時(shí)有效地支持工程問題的解決�；�于頻率響應(yīng)方法可以為同類問題的解決提供一種借鑒。

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本文標(biāo)題：基于Natran頻率響應(yīng)分析的后保險(xiǎn)杠開裂仿真分析

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