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本文应用Altair公司的有限元软件HyperWorks，对某轿车的空滤器支架进行了强度分析，找出了空滤器支架路试断裂的原因，据此对其结构进行了优化改进设计，取得了良好的效果。
1概述
随着仿真技术的飞速发展，有限元分析已经成为汽车产品仿真分析的关键手段。而汽车结构强度分析是汽车产品仿真分析最重要的应用领域之一。通过应用有限元分析，在产品设计前期充分利用有限元分析软件快速有效地模拟产品在各种工况下的状态，帮助工程师及时地进行结构优化。
本文以某轿车空滤器支架为分析对象，利用Altair公司的HyperMesh建立准确合理的有限元模型，利用HyperView进行结果后处理，利用线性分析软件快速、高效的得到结构的应力、变形云图，找出失效原因，在此基础上提出了优化设计方案，进行了针对性的结构改进，经过道路试验验证，优化方案效果良好。
2空滤器支架断裂问题描述
某款轿车在可靠性道路试验完成总里程的80%时，检查发现空滤器支架出现断裂失效，断裂失效的图片如图1所示。断裂原因初步认为是空滤器安装点与支架根部的力臂太长，支架本体结构薄弱，在起伏路面颠簸导致疲劳开裂。本文对该问题进行CAE强度分析及结构优化改进。 （图片） 3强度分析
3.1 有限元模型
根据设计部门工程师提供的车体3D几何数据，利用HyperWorks的前处理建模软件HyperMesh进行有限元离散，钣金件用2D壳单元建模，电器元件及空滤器本体用集中质量代替，集中质量用rbe3连接到车体相应的安装孔上。为了提高计算速度，同时又保证模型精度，取A柱前段的整个机舱建立有限元模型。空滤器支架强度分析所用的有限元模型如图2所示。（图片） 3.2 材料属性
空滤器支架材料为DC03，其他材料包括DC01、B280DP，强度分析所用的材料参数由CAE材料数据库中得到。
3.3加载工况及分析方法
模型截取的断面约束123456自由度，前支柱安装支座约束123自由度。在路试工况下，空滤器支架主要承受垂向载荷，根据发动机侧的激励情况，给结构施加6G的过载系数。
为便于不同方案与基础车之间做对比，用相同的约束和加载，采用对比分析。
3.4 基础车强度分析结果
根据给定工况，对原状态车也就是基础车进行强度分析，得到分析结果图3所示。利用HyperView查看分析结果。（图片） 由分析结果可知，基础车空滤器支架在颠簸工况下最大位移为8.0mm，最大应力为239MPa，最大应力位于支架折弯处，应力集中较严重，与路试断裂位置基本一致。
3.5结构优化分析及试验验证效果
针对基础车空滤器支架的强度分析结果，结合结构实际受载情况，给出三个优化方案。通过相同工况下的对比分析，解决支架结构薄弱引起的断裂问题。
3.5.1 优化方案1
为提高空滤器支架的局部刚度，将支架厚度由原来的1.0mm增加到1.2mm，方案1分析结果如图4所示。（图片） 支架厚度由1.0mm增加到1.2mm后，最大位移较基础车降低10%，应力降低17.1%。但应力集中部位仍处于折弯处的疲劳失效敏感部位。
3.5.2 优化方案2
在初始模型基础上，增加一个加强件（图示中兰色的件），厚度1.0mm，加强件中间设计一纵向贯通的筋，两端各打两颗焊点，分别与水箱上横梁与空滤器支架相连。方案2如图5所示。（图片） 优化方案2分析结果如图6所示。（图片） 由分析结果可知，方案2最大位移较基础车降低3.75%，最大应力为221MPa，较基础车降低7.5%，效果不明显，且应力集中部位仍为折弯处，存在疲劳开裂的风险。
3.5.3 优化方案3
因空滤器支架折弯处始终存在较为严重的应力集中，故更改支架的结构，取消折弯，同时将支架宽度由27mm增加到43mm，增加一个厚度为1.0mm的加强件，方案3如图7所示。（图片） 优化方案3分析结果。（图片） 方案3最大位移为5.0mm，较基础车降低37.5%，最大应力为168MPa，较基础车降低29.7%，效果明显。应力集中区域出现在空滤器根部的一侧翻边位，该位置不属于疲劳敏感部位。因此该方案效果最为明显。
3.6 优化方案试验验证效果
根据优化方案分析结果，方案3对结构应力的改善最为明显，工程部门根据建议采用了优化方案3。通过后期的可靠性道路试验验证，该方案实施以后，空滤器支架未再出现路试断裂的现象，完全满足了设计性能设计要求。
4结论
本文对实际工程问题进行有限元建模分析，找出了空滤器支架道路试验开裂的原因。通过结构优化，有效的降低了空滤器支架局部应力集中现象，避免了可靠性路试再次出现开裂的问题。
通过HyperWorks软件，可以准确的对实际结构进行有限元离散及虚拟仿真，快捷、有效的解决实际工程问题，缩短产品开发周期，节省开发费用。
5 参考文献
[1]Altair HyperWorks User’s Manual
[2]寇洪滨,赵永昌 基于焊缝疲劳寿命预测的某轿车后桥改进设计 汽车技术 2010
[3]马庆丰,汪谟清,李戈操 基于HyperWorks的全向侧面叉车车价结构有限元分析 机电工程技术2010
10/20/2013
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