基于Abaqus某型號中冷器振動失效診斷

楊俊生

摘 要：企業(yè)為節(jié)省產(chǎn)品現(xiàn)場試驗費用 開發(fā)同類產(chǎn)品現(xiàn)場試驗與有限元仿真關(guān)聯(lián)研究與驗證 以確保有限元分析與現(xiàn)場試驗的高度吻合 兩者結(jié)果誤差應在5%以內(nèi)。據(jù)此運用FEA技術(shù)對產(chǎn)品設計快速響應 使得設計變更更有針對性。文章以某型號中冷器為研究對象 進行諧響應仿真后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效。為解決失效問題 理論聯(lián)系實踐 依據(jù)產(chǎn)品動力學方程及系統(tǒng)幅頻特性曲線 找出影響產(chǎn)品失效的關(guān)鍵因素─頻率比。

關(guān)鍵詞：諧響應;隔振器;固有頻率;動剛度系數(shù);頻率比;幅頻特性

中圖分類號：O316? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-149-03

Abstract： In order to save the expensive field test costs of products， the enterprise develops the correlation research and verification between the field test and finite element simulation for similar products to ensure that the finite element analysis and the field test are highly consistent， and the error between the two results should be within 5%. Accordingly， FEA responds quickly to product design， making design changes more targeted. The article takes a certain type of intercooler as the research object， and after harmonic response simulation， it is found that the product fails. To solve failure issue， integrating theory?with?practice， according to the system dynamic equation and the system's amplitude-frequency characteristic curve， the key factor-frequency ratio which could be utilized.

Keywords： Harmonic response; Isolator; Nature frequency; Dynamic stiffness coefficient; Frequency ratio; Amplitude -frequency characteristic

CLC NO.： O316? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-149-03

前言

按照標準[1]要求 車輛的里程數(shù)達到60萬公里后 就會被引導報廢 這就給小汽車的可靠性設計提供了基準 據(jù)此也就決定了汽車零部件耐久壽命。對于汽車空空中冷器按照相關(guān)汽車行業(yè)標準[2]或企業(yè)標準要求按照規(guī)定的方法振動次數(shù)一般不超過30萬次 但也有企業(yè)標準會另外要求的 以此來驗證產(chǎn)品的抗振能力及符合可靠性設計的要求;為保證產(chǎn)品能夠符合相關(guān)標準及客戶的要求 這涉及到兩方面：輸入 即由于客戶會針對一些車型做出一些針對性的要求;輸出 即汽車零部件廠家會根據(jù)自己公司CADs庫和相關(guān)工具及經(jīng)驗設計出符合輸入端的要求的產(chǎn)品。那么當產(chǎn)品出現(xiàn)失效時如何結(jié)合公司現(xiàn)有改進工具實踐與理論互相驗證 抓住主要矛盾進行研究分析。很多情況下初始結(jié)構(gòu)設計并不一定都能符合客戶規(guī)定的要求 在運用FEA等技術(shù) 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效的情況下如何診斷及如何采取措施使得產(chǎn)品符合客戶要求將在文章中進一步討論。空空中冷器工作原理參見圖1。

1 振動分析

1.1 模態(tài)分析

按照相關(guān)標準或者技術(shù)規(guī)范要求 首先提取空-空中冷器的固有頻率 在進行模態(tài)分析前 檢查FEA模型與BOM表中模型質(zhì)量進行比對 偏差在5%內(nèi) 符合仿真要求。文章涉及產(chǎn)品模型示意圖參見圖2 要求提取1-100Hz內(nèi)的固有頻率 而模型中的隔振器的動剛度系數(shù)為：Kx=27.5N/mm Ky=134N/mm Kz=134N/mm 氣室材料為玻璃纖維塑料 芯體材料為鋁合金 邊界條件盡量接近實際安裝方式 模態(tài)分析結(jié)果參見表1。

前三階振型分別是按X Y Z方向的擺動。

1.2 諧響應分析

按照產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范的要求 當固有頻率不超過50Hz時 按此頻率進行諧響應分析 產(chǎn)品振動參數(shù)要求參見表2。

按規(guī)定激勵進行諧響應仿真 結(jié)果參見表3。

由表3可知 振動結(jié)果顯示在中冷器在X和Y方向上中冷器的芯體和氣室均不能達到標準要求的壽命。

2 失效診斷

技術(shù)規(guī)范要求 當掃描固有頻率小于50Hz時以固有頻率及表2規(guī)定的激勵做諧響應分析 當固有頻率大于50Hz時 以表2規(guī)定的激勵及25Hz的振動頻率做諧響應分析。

對于中冷器在x y z三軸 每個方向諧響應模型動力學方程式為：

系統(tǒng)固有頻率

其中m為中冷器振動質(zhì)量 c為系統(tǒng)阻尼 k為彈簧剛度系數(shù) F為諧響應激勵振幅 ω為激勵圓頻率 ωn為無阻尼時的固有頻率 ξ為阻尼比 t為時間歷程 u為位移響應。

影響振幅的主要因素分別為激勵幅值、頻率比以及阻尼比。由于激勵振幅是一定的 阻尼比在仿真中是按5%的經(jīng)驗值 這也決定了當激勵頻率與共振頻率相當時系統(tǒng)振幅為最大 所以唯一能夠影響到中冷器振幅的是頻率比 如圖3所示 當頻率比遠離1的時候 系統(tǒng)不發(fā)生共振。由于中冷器質(zhì)量限于空間和材料成本以及需要滿足流體動力學的要求 基本上更改的裕量不大;那么更改在可能的范圍內(nèi)提高隔振器的動剛度系數(shù)多數(shù)情況下是一種有效的方法。

3 二次分析

根據(jù)上述診斷結(jié)果 進行二次分析 首先去除隔振器并觀察中冷器固有頻率的變化 結(jié)果參見表4 由表可知第1階頻率由24Hz提升到75Hz 由此可以計算出產(chǎn)品的頻率比為3 從圖3中看出系統(tǒng)振動幅度較小系統(tǒng)安全。

下一步則通過提高隔振器的動剛度系數(shù)進行模態(tài)測試分析并觀察系統(tǒng)共振頻率的變化趨勢 具體參見表5。

通過表5數(shù)據(jù)看出隨著隔振器動剛度系數(shù)的變化 固有頻率緩慢增加 但是隨著動剛度系數(shù)的增加 隔振器可實現(xiàn)此動剛度系數(shù)的可能性遞減 由上述的失效診斷可知 產(chǎn)品依然存在很大失效風險。因此提高隔振器動剛度系數(shù)的方法看起來起不到明顯作用 前面已經(jīng)提到當系統(tǒng)無隔振器時系統(tǒng)的頻率比為3 無隔振器器系統(tǒng)的諧響應結(jié)果參見表6。

去除隔振器后中冷器的固有頻率從24Hz提升到75Hz 頻率比從1提升到3 振動結(jié)果符合客戶要求。隔振器的作用相當于彈簧 起到緩沖減振的目的;沒有隔振器一方面提高了系統(tǒng)整體剛度 使得系統(tǒng)剛度提升 固有頻率提高;另一方面由于該中冷器三個與整車連接的支架比較長 材料是纖維增強塑料 降低了整個中冷器系統(tǒng)的剛度 一定程度上起到了代替隔振器起到緩沖減振的目的 因此隔振器的作用就不那么凸顯。

4 結(jié)論

文章通過實踐與理論結(jié)合 依據(jù)產(chǎn)品動力學方程及系統(tǒng)幅頻特性曲線 找出影響產(chǎn)品失效的關(guān)鍵因素—頻率比 以此解決產(chǎn)品諧響應失效問題。此外由于此中冷器產(chǎn)品與整車連接通過較長的支架連接 一定程度上起到緩沖減震的作用

導致隔振器作用不凸顯。文章研究還存在以下不足 一方面由于文章沒有考慮因去除隔振器是否會帶來一些問題 比如噪音問題 如果產(chǎn)品標準對結(jié)構(gòu)噪音有要求 那么需要進一步進行結(jié)構(gòu)噪音分析。另一方面由于中冷器氣室材料是玻璃纖維增強材料 有條件的情況下進行結(jié)構(gòu)與流變耦合仿真會使得仿真更接近真實情況。

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