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空气滤清器支架强度分析及结构改进
1 引言
在某卡车的整车开发过程中，多台车在进行45000Km耐久试验时空气滤清器支架出现开裂，在对支架进行制造、装配、工艺等方面的检查后，认为该支架在设计方面存在问题。为了保证项目节点时间，缩短改进周期，掌握改进方向，应用Nastran软件对现有结构进行振动分析，并进行台架试验，最后将改进后的结构进行整车耐久试验验证。
图1 支架开裂图片
2 测试支架振动频率及振幅
通过分析知道，在静态下此支架无断裂风险，初步判断此次断裂由于振动导致，因此对此支架进行频率响应分析。
进行频率响应分析时，为了更好的还原支架破裂的原因，同时得到更准确的CAE分析输入条件，测试该支架在试验场的各种坏路状况下的振动频率及振幅，得到支架安装点在长波路、扭曲路、长搓板路、短搓板路、凸块路、短波路、石块路七种路况下的振幅一频率曲线作为后期CAE分析及台架试验的依据。
测试结束后发现在直搓板路上X向振动最大，为0.85G。
图2 支架安装点直搓板路振动频谱
3 有限元模型的建立
3.1有限元模型的前处理
在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。包括几何建模、定义材料属性和实常数（要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数）、定义单元类型，网格划分、添加约束与载荷等。
本次有限元分析前处理在HyperMesh中进行，因为HyperMesh是一个高性能的有限元前处理软件，具有强大的几何清理和网格划分功能并能有效的模拟各种零件的连接方式，如刚性连接、螺栓连接、弹簧连接等等。
后处理在Nastran中进行，Nasran具有很高的软件可靠性，品质优秀，得到有限元行业界的肯定，众多汽车公司在工业行业都用Nasran的计算结果作为标准。
3.2载荷及约束的定义
进行频率响应分析时，对支架安装点进行全约束，同时在安装位置施加加速度激励，方向X\Y\Z三方向，大小参照试验过程中对试验场各种路况下的测试，取1G加速度。
最终施加完载荷与边界条件的模型如图3所示。
图3 空滤支架有限元模型
3.3提交计算
将前处理好的有限元模型提交到Nasran软件进行计算，得到支架在X、Y、Z三个方向对应频率下的最大应力云图。
4 显示结果
将已处理好的有限元模型提交到求解器进行计算，并通过Hyperview软件读取结果，由于在X向激励下的应力远大于Y、Z两个方向，故只显示X向激励下的分析结果。
图4 原始结构X向激励下的应力云图
在21HZ时，在前后方向（X向）1G加速度的激励下空滤支架断裂处应力达到253MPa，出现位置与实际断裂相吻合。该支架的材料为Q235。查阅相关资料可以得知该材料的屈服极限为235MPa。而通过分析得到的该支架最大应力超过了材料屈服CAE强度，判定存在较大风险，达到了分析仿真故障再现的目的。
5 两种改进方案的提出
由于支架在汽车上布置空间有限，故根据CAE分析结果，提出两种改进方案，如图5、图6所示：
图5 改进方案一示意图
改进方案一中，支架做成一个整体式，支架本体厚度为3.0mm，质量为6.2Kg。
图6 改进方案二示意图
改进方案二中，支架直接改为管状支架，管子厚度为2.0mm，底座厚度为1.5mm，安装孔部位厚度为2.0mm。支架总成重量为5.5Kg。
运用同样的分析方法，对改进后的两种方案进行计算，并读取结果。
方案一X向加速度激励下的分析结果如图7所示：
图7 方案一的应力云图
方案一在28HZ时，最大应力达到191MPa，超过了材料屈服强度的70%，认为在该结构还存在一定的风险。
方案二X向加速度激励下的分析结果：
图8 方案二的应力云图
方案二在31HZ时，最大应力为119MPa，小于材料屈服CAE仿真的70%，判定认为该结构满足设计要求，选用该方案作为最终改进方案。
6 台架试验
为了验证改进结构，对最终选用的改进结构进行台架试验。试验方法参照JIS标准，首先进行共振点检测试验，得到X/Y/Z三个方向的共振频率，然后实施振动耐久试验。
表1 台架试验振动频率及时间
试验判断基准：试验后测试功能必须满足要求，外观不可变形及破损。
图9 试验工装图片
通过台架试验我们可以知道，最终所选用的方案顺利的通过了严格的JIS标准。
结合分析结果及台架试验结果，最终选定改进方案二（支架结构改为管状结构）作为改进结构，进行设计变更，将设变后的支架应用于后续耐久试验车辆上，进行耐久试验时，再未出现空气滤清器支架断裂的情况。
7 结束语
运用先进的CAE手段对空气滤清器支架进行分析，再现了试验故障，依据分析结果提出了改进方案，对改进方案进行了再次分析，依据分析结果从改进方案中选取了最优方案，最后将选用的改进方案进行台架试验，该方案顺利通过了严格的JIS台架振动试验，最终将此支架进行设计变更并运用于耐久试验，后续该支架再未出现断裂故障。运用此方法大大缩短了支架改进时间，降低了产品设计与验证的成本，同时将振动分析与台架试验结合进行，为产品设计提供了理论与试验指导，为同类问题的解决提供了工程经验。
原文来源：http://www.songfengkou.com/
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