汽車尿素箱支架結構輕量化設計分析
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摘要:為了使尿素箱支架結構在滿足性能要求的情況下實現(xiàn)輕量化，利用有限元分析方法對尿素箱支架進行了強度分析，獲得了支架的應力分布，并在此基礎上對其進行了結構優(yōu)化設計及強度確認計算。實驗及計算結果表明:在滿足強度要求的情況下，該部件實現(xiàn)減重3.36kg(占比35.6%)，較好地實現(xiàn)了部件輕量化目標。
關鍵詞:尿素箱;結構優(yōu)化;強度;失效風險
引言
汽車尿素，即柴油機尾氣處理液，能夠吸收氮氧化合物的除污液體，其中包含了67.5%的去離子水和32.5%的高純尿素，存儲在尿素箱內［1］。尿素箱多為通過支架外掛在車身上，在重型汽車運行過程中，工況惡劣，從而導致尿素箱支架失效，故障率高。很多研究工作致力于解決尿素箱支架承重問題、優(yōu)化尿素箱支架結構。如鮑曉東等［2］總結了一套適用于重型車輛支架疲勞驗證的臺架試驗規(guī)范;李亮等人［3］闡述了結構頻率響應和振動疲勞壽命的基本原理;文新海等［4］闡述了結構隨機振動疲勞壽命的基本原理及基于激勵跑譜的振動疲勞壽命分析的方法和流程。本文作者基于有限元分析手段，對尿素箱支架進行有限元強度分析，根據(jù)計算結果中關鍵部位的應力分布，對支架結構進行優(yōu)化以實現(xiàn)部件輕量化目標，繼而實現(xiàn)汽車輕量化，提高汽車的動力性和降低燃油油耗［5］。
1有限元原理
有限元是解決機械類復雜工程問題的一種數(shù)值分析工具，有著復雜而龐大的理論體系［6］。基本過程主要包括:分析對象的離散化、有限元求解、計算結果的后處理三部分。其本質是求出每一個單元表示的復雜未知量的近似解，然后推理出域的滿足條件，進而求得問題的解。在有限元中，常以節(jié)點位移作為基本未知量。并對每個單元根據(jù)分塊近似的思想，假設一個簡單的函數(shù)近似地表示單元內位移的分布規(guī)律，再利用力學理論中的變分原理或其他看法，建立節(jié)點力與位移之間的力學特性關系，得到一組以節(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解節(jié)點的位移分量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸，增加求解區(qū)域內單元的數(shù)目，解的近似程度將不斷改進，近似值最終將收斂于精確解。有限元分析的目的:針對具有任意復雜幾何形狀變形體，完整獲取在復雜外力作用下它內部的準確力學信息，即求取該變形體的三類力學信息(位移、應變、應力)［7］。隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，有限元法在工程設計和科研領域得到了越來越廣泛的重視和應用，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，汽車的設計制造已離不開有限元分析計算。
2有限元分析
2.1分析過程
2.1.1建立有限元模型有限元模型包括車架縱梁、尿素箱支架、槽形支撐梁、卡扣、尿素箱等，如圖1所示。其中縱梁、斜支架和卡扣采用殼單元表示;螺栓采用RBE2+beam單元進行模擬;尿素泵質量利用rb2+mass模擬;縱梁和槽形支撐接觸面、槽形支撐和斜支架接觸面均采用Contact接觸連接，摩擦因數(shù)為0.15，焊接處采用節(jié)點耦合來模擬。除縱梁和橫梁外，其余支架材料為Q235，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，屈服強度235MPa。
2.1.2工況定義根據(jù)實車裝配要求，截取車架縱梁一部分，并對車架截斷處進行全約束，同時施加重力載荷，具體載荷見表1。
2.2計算結果
利用ABAQUS軟件對尿素箱支架進行非線性強度計算，得出在垂直沖擊、制動、轉向3個工況下的應力云圖，如圖2—圖4所示，最大應力和位移結果見表2。
3結構優(yōu)化
3.1結構重構
由應力分布云圖可以看出，該支架雖然最大應力與材料屈服強度比較接近，但大部分區(qū)域的應力都比較低，存在減重優(yōu)化空間。在此思路下，對該支架進行結構優(yōu)化設計，優(yōu)化后結構如圖5所示。
3.2有限元分析及其結果
為考察優(yōu)化后支架的強度性能，對其進行新一輪的有限元分析，模型處理及工況定義均與上文相同，其計算結果見表3，應力云圖如圖6—圖8所示。由以上結果可得，該支架在垂直沖擊和制動工況下的最大應力均小于優(yōu)化前結構的最大應力。雖然轉向工況的最大應力較優(yōu)化前有所提升，但其最大應力僅為76MPa。其在三工況下的應力均小于Q235材料的屈服強度(235MPa)，滿足強度要求。
4結論
利用有限元法對某尿素箱支架進行了三工況非線性強度計算，獲得了該部件的應力分布，并根據(jù)其應力分布特點對支架進行了結構輕量化設計及有限元驗證計算，在理論計算和可靠性試驗均能滿足強度要求的情況下，該支架由9.45kg減至5.59kg，35.6%，效果較為明顯。
參考文獻:
［1］王克奇．重型汽車尿素箱支架結構優(yōu)化的研究［D］．鎮(zhèn)江:江蘇大學，2018．
［2］鮑曉東，張仙妮．重型商用車尿素箱支架設計與疲勞驗證［J］．機械設計與制造，2017(3):212－214．
［3］李亮，張建勛．基于實際道路譜的振動疲勞優(yōu)化分析研究［J］．科技廣場，2017(4):91－95．
［4］文新海，邱星．基于激勵譜的隨機振動疲勞的分析方法研究［J］．科技視界，2017(13):11－12．．
［5］智淑亞，汽車車身輕量化材料的應用及發(fā)展［J］．中國制造業(yè)信息化，2012，41(17):104－106．
［6］胡于進，王璋奇．有限元分析及應用［M］．北京:清華大學出版社，2009．
［7］薛風先．ANSYS12．0機械與結構有限元分析從入門到精通［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．
作者：鐘宏松 沈保山 王康 史榮旭 肖一帆 單位：無錫職業(yè)技術學院汽車與交通學院
