爆破強度分析在塑料進氣歧管設(shè)計中的應(yīng)用

馬百坦，蔣一丹

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

近年來，隨著國家排放法規(guī)的日益嚴苛，如何在保證發(fā)動機動力性的前提下降低發(fā)動機油耗已成為內(nèi)燃機行業(yè)的重要研究課題。實踐表明，輕量化是降低排放、提高燃油經(jīng)濟性的最有效措施之一。隨著新材料的發(fā)展與應(yīng)用日趨成熟，為了實現(xiàn)整機的輕量化目標，越來越多的金屬零部件被塑料件取代。在汽油發(fā)動機輕量化設(shè)計中，塑料化普及率最高的部件就是進氣歧管，PA是目前國內(nèi)外眾多汽油機生產(chǎn)廠家的首先材料。

進氣歧管安裝在氣缸蓋上同時為周邊附件提供部分固定點，因此要能承受汽車發(fā)動機振動負荷、附件慣性力負荷及進氣壓力脈沖負荷等，還要保證在發(fā)動機發(fā)生異?；鼗饡r不被高壓脈動壓力爆破，因此要求塑料進氣歧管有較高的強度[1]。塑料進氣歧管多數(shù)為分體注塑成型后再通過振動摩擦焊接制造而成，焊接筋的強度比主體部分弱，為了保證塑料進氣歧管的設(shè)計可靠性能夠滿足使用要求，縮短設(shè)計周期和減少開發(fā)成本，在設(shè)計開發(fā)過程中進行爆破仿真分析就尤為重要。目前行業(yè)內(nèi)對爆破分析應(yīng)用較少，零件量產(chǎn)后出現(xiàn)無法承受發(fā)動機極限工況而出現(xiàn)開裂漏氣現(xiàn)象，帶來巨大的經(jīng)濟損失。本文旨在對塑料進氣歧管總成的爆破分析過程進行詳細說明，建立科學(xué)的設(shè)計初期的質(zhì)量保障方法和明確的設(shè)計優(yōu)化方向。

1 網(wǎng)格模型建立

1.1 產(chǎn)品模型處理

為了利于網(wǎng)格劃分和材料屬性定義，去除產(chǎn)品上對爆破分析無意義的金屬鑲嵌件和橡膠密封圈等結(jié)構(gòu)，保留進氣歧管四個塑料殼體部分，用于有限元網(wǎng)格模型的劃分。

1.2 網(wǎng)格劃分

將處理好的模型導(dǎo)入到Hypermesh中，進行網(wǎng)格劃分。進氣歧管分為上殼體、中殼體-01、中殼體-02、下殼體四部分，分別采用四面體單元劃分，網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為3 mm。進氣歧管四個殼體連接的焊接筋部位用采用塑料壓融連接，使用RBE2單元模擬[2]。進氣歧管網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 進氣歧管網(wǎng)格模型

1.3 材料特性

該進氣歧管使用的材料是PA6+GF30，計算所需的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

考慮進氣歧管的工作環(huán)境溫度通常能達到120~130℃，塑料的應(yīng)力應(yīng)變受溫度影響較大，需要結(jié)合應(yīng)變曲線選擇合理的應(yīng)力限值。PA6+GF30材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 進氣歧管材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

根據(jù)von Mises屈服準則[3]，在一定的變形條件下，當受力物體內(nèi)一點的應(yīng)力偏張力的第二不變量J2′達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態(tài)。即用主應(yīng)力表示為：

式中，σs——材料的屈服點；K——材料的剪切屈服強度。

與等效應(yīng)力比較，可得

（σ1- σ2）2+（σ2- σ3）2+（σ3- σ1）2=2σ32=6K2

故von Mises屈服準則也可描述為：當某一點應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的等效應(yīng)力應(yīng)變達到某一與應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)的定值時，材料就屈服。von Mises應(yīng)力值為：

其中 a1、a2、a3分別指第一、二、三主應(yīng)力。

綜合應(yīng)力應(yīng)變曲線和爆破試驗的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，此分析進氣歧管主體的von Mises應(yīng)力值設(shè)為：在室溫（23℃）條件下，材料最大應(yīng)力值的85%，即115×0.85=97 MPa；殼體間焊接筋處應(yīng)力值設(shè)為：在室溫（23℃）條件下，材料最大應(yīng)力值的65%，即115×0.65≈ 75MPa。

1.4 邊界條件

邊界條件包括約束邊界和載荷邊界。邊界條件的施加使用Abaqus進行。

約束邊界：約束進氣歧管與缸蓋連接處8個安裝孔的6個方向的自由度。

施加載荷：根據(jù)項目開發(fā)需求，針對發(fā)動機的極端回火工況，進氣歧管能夠承受的爆破壓力需大于6個大氣壓，故在進氣歧管氣道內(nèi)壁施加0.6 MPa的壓力。

2 計算分析

2.1 求解計算

根據(jù)前期建立的有限元模型、施加的邊界條件及材料參數(shù)，利用Abaqus進行求解計算得到進氣歧管各部分的應(yīng)力分布云圖（見圖3~圖6）。

圖3 上殼體應(yīng)力分布云圖

圖4 中殼體-01應(yīng)力分布云圖

圖5 中殼體-02應(yīng)力分布云圖

圖6 下殼體應(yīng)力分布云圖

2.2 結(jié)果分析

由圖3、4、6可知，進氣歧管這三個殼體的在0.6 MPa壓力下的最大應(yīng)力值均小于97 MPa，滿足可靠性要求。由圖5可知，中殼體-02本體及其焊接筋在0.6 MPa的壓力下最大應(yīng)力值分別達到了187 MPa和117 MPa，超過材料的許用應(yīng)力值近一倍，存在極大的炸裂失效風(fēng)險，需要進行優(yōu)化調(diào)整。

從結(jié)構(gòu)上可以看出，中殼體-02和下殼體的結(jié)構(gòu)較類似，最大的差異點在于下殼體分布了大量的加強筋而中殼體-02上大面積無加強筋，而最大的形變區(qū)域也是出現(xiàn)在無加強筋的區(qū)域。由此初步判斷加強筋的布置對提升其結(jié)構(gòu)強度有較大的幫助作用，而焊接筋處較大的應(yīng)變是由中殼體-02較大的變形帶來的，如在此殼體上合理布置加強筋可有效避免以上失效風(fēng)險，提升設(shè)計可靠性。

3 設(shè)計優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上計算分析提出的改進建議，在中殼體-02上增加加強筋。優(yōu)化前后對比如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比圖

3.2 計算分析

對于優(yōu)化后殼體重新劃分網(wǎng)格、施加邊界條件，各項參數(shù)保持與原參數(shù)一致，再次對優(yōu)化后的進氣歧管進行求解計算。得到的應(yīng)變分布結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后應(yīng)力分布圖

由計算分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的中殼體-02的最大應(yīng)力由原來的187 MPa減小到87 MPa，焊接筋處的應(yīng)力值也由原來的117.7 MPa減小到69.7 MPa。進氣歧管整體的應(yīng)力分布均滿足設(shè)計可靠性目標要求。可見在中殼體-02上增加加強筋極大的提升了設(shè)計可靠性，通過爆破分析給出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議對設(shè)計具有較大的指導(dǎo)作用。

4 試驗驗證

制作試驗工裝板模擬發(fā)動機缸蓋，將進氣歧管安裝在工裝板上。其它各傳感器、管接頭出口用特制工裝堵住，并保證完全密封。在工裝板上預(yù)留進氣加壓口和壓力監(jiān)測點。

通過加壓口向進氣歧管內(nèi)部持續(xù)加壓，直至歧管炸裂失效。記錄整個過程的壓力變化曲線，得出最終使進氣歧管爆破的壓力值，計算其安全系數(shù)。本產(chǎn)品三個樣件的試驗結(jié)果見圖9（注：試驗需要在具有安全防護的試驗設(shè)備中進行，避免進氣歧管爆破造成人身傷害）。

圖9 樣件測試結(jié)果

根據(jù)三個樣件的動態(tài)爆破試驗結(jié)果可以看出，爆破壓力分別是 0.991 MPa、0.915 MPa和 0.935 MPa，均大于設(shè)計要求的0.6 MPa，且安全系數(shù)均在1.5~1.6之間。爆破仿真分析結(jié)果具有較高的可信度，對產(chǎn)品的可靠性設(shè)計具有較大的參考意義。

5 結(jié)束語

通過利用FEA軟件對進氣歧管進行爆破分析，能夠直觀地看出進氣歧管在一定壓力下的應(yīng)力分布情況，進而幫助設(shè)計師判斷進氣歧管的設(shè)計是否能夠滿足設(shè)計可靠性要求，為提升可靠性提供一個明確的優(yōu)化方向。爆破仿真分析在進氣歧管設(shè)計中的應(yīng)用，能夠顯著地縮短進氣歧管的設(shè)計開發(fā)周期，并能有效地避免因設(shè)計強度不足而導(dǎo)致的模具變更、報廢等帶來的成本浪費。