基于Hyperworks的某輕客前霧燈支架失效分析及優(yōu)化

陳桂均，袁劉凱，鄒小俊，康 毅，陶天濤

（南京依維柯汽車有限公司,江蘇 南京 211806）

一、引言

前霧燈是某輕型客車的重要功能性配置，通過霧燈支架固定在前保險(xiǎn)杠本體上，霧燈支架通過螺栓固定到前保本體上。在前期可靠性道路試驗(yàn)中，前保霧燈支架斷裂，導(dǎo)致霧燈脫落，功能失效，影響車輛行駛安全性。本文根據(jù)故障現(xiàn)象，應(yīng)用Hyperworks軟件，對(duì)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)和強(qiáng)度的分析，尋找失效原因。根據(jù)失效原因制定了改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行分析確定了方案，然后通過道路試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，據(jù)此在允許的空間尺寸和重量范圍內(nèi)，對(duì)支架材料、幾何尺寸進(jìn)行改進(jìn)，消除了故障。

二、故障現(xiàn)象調(diào)查

選取上述故障車型進(jìn)行調(diào)查，通過故障件分析結(jié)果如下：

圖1 前霧燈支架斷裂位置

（一）斷裂位置：前霧燈支架斷裂位置基本一致，故障件霧燈支架是從固定點(diǎn)根部斷裂（見圖1）。

（二）尺寸材質(zhì)檢測(cè)：霧燈支架的厚度，尺寸均符合圖紙；材質(zhì)也符合設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)以上分析，可以排除零部件本身制造過程引起的斷裂，支架斷裂應(yīng)為設(shè)計(jì)問題，初步判斷是車輛使用過程中，霧燈振動(dòng)導(dǎo)致支架受到一定的沖擊載荷導(dǎo)致疲勞開裂。

振動(dòng)疲勞是構(gòu)件受到與自身固有頻率相近的動(dòng)載荷（如沖擊、振動(dòng)、加速度載荷等）時(shí)構(gòu)件產(chǎn)生共振從而導(dǎo)致的疲勞破壞。前霧燈固定在霧燈支架上，在行駛過程中，前霧燈支架受到霧燈振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷，引起霧燈支架疲勞損傷，因此前霧燈支架的可靠性和壽命對(duì)其靜、動(dòng)特性提出了很高的要求。而霧燈支架總成的靜、動(dòng)特性與其最大應(yīng)力分布、一階模態(tài)密切相關(guān)。因此，如何準(zhǔn)確的得到最大應(yīng)力以及霧燈支架的固有頻率及振型，對(duì)前霧燈支架的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

三、原因分析

針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，運(yùn)用Hyperworks仿真分析方法對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，對(duì)前霧燈支架的模態(tài)和應(yīng)力進(jìn)行分析。

（一）前霧燈支架有限元模型的建立

通過CATIA軟件對(duì)前霧燈及霧燈支架相關(guān)件進(jìn)行三維建模，數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入Hyperworks軟件，前霧燈支架及前霧燈均采用殼單元網(wǎng)格劃分，前霧燈的質(zhì)量485g，質(zhì)量均布在霧燈罩及霧燈本體上，前霧燈及霧燈材料信息如下表1及圖2所示：

表1 前霧燈及霧燈支架材料表

圖2 前霧燈及霧燈支架模型

（二）分析工況

1.邊界約束：約束前霧燈支架安裝孔123456自由度（見圖3）

圖3 前霧燈支架安裝孔的邊界條件示意圖

2.邊界條件：約束車架截取處123456自由度(見圖4)。

分析工況：工況1：X向5G加載；工況2：Y向5G加載 ；工況3：Z向10G加載。

圖4 車架的邊界條件示意圖

（三）分析結(jié)果

車燈模態(tài)，第一階模態(tài)值為37.88Hz(見圖5)，目標(biāo)值要求一階模態(tài)＞45Hz，低于目標(biāo)值。

圖5 車燈第一階模態(tài)圖

前霧燈支架等效分布應(yīng)力如圖6所示，工況一最大應(yīng)力3.09MPa,工況二最大應(yīng)力2.26MPa,工況三最大應(yīng)力8.53MPa.在霧燈固定點(diǎn)附近，均小于材料的許用應(yīng)力（見表2）。

圖6 前霧燈支架等效分布應(yīng)力圖

表2 許用應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

可以看出，前霧燈支架的強(qiáng)度雖然滿足目標(biāo)值，但車燈一階模態(tài)值低于目標(biāo)值，在路試的過程中，路面的激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致霧燈支架共振，導(dǎo)致霧燈支架的應(yīng)力顯著增加，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

四、改進(jìn)方案：

基于以上仿真分析結(jié)果，需要提升前霧燈支架模態(tài)值，并進(jìn)一步降低前霧燈安裝點(diǎn)處的應(yīng)力?？紤]到成本，盡可能在現(xiàn)有模具基礎(chǔ)上局部?jī)?yōu)化并更換材料，提出了3個(gè)改進(jìn)措施。

（一）措施1：從圖6前霧燈支架等效分布應(yīng)力圖可以看出，前霧燈支架在固定點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力比較集中，分析數(shù)模結(jié)構(gòu)，在固定點(diǎn)根部比較單薄，局部區(qū)域有缺口。因此，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加加強(qiáng)筋、填孔（見圖7）。

圖7 措施1

（二）措施2：同時(shí)霧燈安裝支架原材料為PP130.50，稍軟。在措施1基礎(chǔ)上更改前霧燈支架材料為POM100.65，許用應(yīng)力從37.5MPa提升到40MPa,材料強(qiáng)度更好（見圖8）。

圖8 措施2

（三）措施3：分析霧燈固定結(jié)構(gòu)，霧燈安裝點(diǎn)僅兩個(gè)，呈線性分布，霧燈在兩點(diǎn)間抖動(dòng)嚴(yán)重。因此在措施2的基礎(chǔ)上，把霧燈的固定點(diǎn)從2點(diǎn)固定改為3點(diǎn)固定，三個(gè)點(diǎn)穩(wěn)定性相對(duì)于2個(gè)點(diǎn)大大提高（見圖9）。

采取以上三個(gè)措施后，霧燈支架的重量從220g增加到264g,只增加了44g,可以接受。

圖9 措施3

（四）改進(jìn)前后的不帶前保本體的前霧燈支架模態(tài)分析結(jié)果（見表3）

表3 改進(jìn)前后的霧燈支架模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

應(yīng)力改進(jìn)對(duì)比見表4：

表4 改進(jìn)前后的霧燈支架應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比

（五）CAE分析結(jié)論

前霧燈支架原方案第一階模態(tài)值為37.88Hz,低于目標(biāo)值，通過三個(gè)改進(jìn)措施，第一階模態(tài)為64.43Hz,高于目標(biāo)值，另外在三個(gè)工況下的最大應(yīng)力下降也比較明顯，安全系數(shù)進(jìn)一步提升，CAE分析表明，改進(jìn)方案有效。

（六）優(yōu)化方案效果驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化方案，完成了前霧燈支架的模具修改，經(jīng)過4臺(tái)車各3萬公里的綜合可靠性道路試驗(yàn)驗(yàn)證，前霧燈支架都沒有斷裂，方案驗(yàn)證有效。

五、結(jié)語

本文通過對(duì)前霧燈支架在試驗(yàn)過程中暴露出來的斷裂問題進(jìn)行原因分析后，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高支架的模態(tài)和強(qiáng)度，以達(dá)到滿足整車受力要求，最終通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證了通過Hyperworks分析出來的結(jié)論是能滿足實(shí)際使用的。本文通過HyperWorks的軟件分析結(jié)果給設(shè)計(jì)者提供了很好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，大大的提高了支架優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。該支架的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可推廣到其他同類車型。