基于Ncode疲劳分析的路试车PTC支架开裂问题研究
发布时间:2024-06-10 责任编辑:tengment
目前PTC系统是纯电动汽车上成熟且安全的采暖系统，某车型本次试验车该系统通过金属支架安装在车辆机舱前横梁上。车辆在各种复杂路面上行驶时会受到各种载荷带来的冲击，不仅仅对于底盘与车身件并且对于各类模块的安装支架而言也是极大的考验，因此设计出安全可靠的支架对于车辆研发与使用而言是必不可少的。道路试验是指机动车制造厂商为检测新型车辆的各项性能、技术参数而在不同环境及真实道路上进行的试验。将众多复杂且恶劣的地形集中在整段路面内，车辆驶过该路面不同地形时承受不同方向、频率、大小的载荷，使车辆以不同里程、不同路面组合与不同循环数驶过，从而用来对车辆进行试验的路面被称为强化耐久路，为了更快的暴露问题与更好的检测车辆性能，一般会采用强化耐久路对车辆进行路试。PTC(PositiveTemperatureCoefficient)模块即车载前舱高压加热器，具有体积小、输出功率大、恒温自控等优点，在现阶段是最为稳定可靠、高效且无污染的方案。随着纯电动汽车的发展和普及，开发一款结构紧凑高效的PTC加热装置完全符合电动汽车的发展潮流。在某车型强化耐久路试中，试验车前舱的PTC模块支架发生了开裂与断裂问题，如图1所示。为了明确产生问题的原因并对其改进优化，进行了下述分析与研究。由于在试验中支架发生开裂，故对其进行CAE分析。首先对其进行强度分析，确定是否为强度不足原因导致的问题；其次对其进行模态分析，确定其低阶模态频率，了解其模态性能；最后对其进行振动疲劳分析；根据分析结果，对结构进行优化，并进行CAE验证分析，最后制作样件搭载路试车进行试验验证。在车辆的行驶过程中，会出现以下对支架产生各个方向冲击的典型恶劣工况：（1）垂直上跳工况；（2）紧急制动工况；（3）左急转向工况；（4）右急转向工况；（5）左急转向后紧急制动工况。这几种工况会对车辆造成各个方向的惯性载荷冲击，在整车研发流程的CAE分析中，一般用这五种分析工况来计算考察支架类的强度。Hypermesh是一款功能强大的前处理软件，ABAQUS则是车企通用的一款功能强大的求解器，这两款软件能够结合使用从而达到对结构进行精确计算的目的。本章基于Hypermesh与ABAQUS对PTC支架进行强度分析。使用Hypermesh对结构进行网格划分、材料设置、属性赋予与边界条件定义。首先对数据进行几何清理，清理完成后，对于钣金件使用2d平面shell网格，并在属性中对其赋予厚度；对于实体结构以solid网格划分为四面体网格。网格划分完成后，对网格进行质量检查，修正质量较差网格与失败网格，以保证计算结果的准确性。PTC模块本体以质量点代替，在其质心位置建立mass点，以RBE2单元连接至安装点。焊点建立为ACM类型。划分好的网格如图2所示。由于支架安装在前舱横梁上，为模拟其真实受力状态，故在分析时将其安装在横梁上，连带横梁一起，截取部分白车身进行计算。对每个零部件赋予其相应的材料与属性后，在白车身截断面各节点建立约束，约束安装点全部自由度，对整体分别施加五个强度工况下的惯性载荷，完整计算模型如图3所示。将设置好的计算模型导入ABAQUS进行计算，然后在Hyperview中导入结果进行显示。PTC支架采用的材料为DC01，该材料的屈服强度为209MPa，若在某工况下结构的应力集中最大处高于这个值，结构在该工况下该位置将发生屈服，即强度不满足要求。故在强度计算中，一般以结果不大于屈服强度作为目标，小于屈服强度即为合格。详细计算结果如表1所示。结论：由应力云图结果可知，该支架在各工况下最大应力均未超出材料屈服，满足强度要求。故该支架开裂问题并非强度问题，并对其进行后续分析。模态分析是研究结构动力特性一种方法，一般应用在工程振动领域。其中，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率和模态振型。分析这些模态参数的过程称为模态分析。基于Hypermesh与Nastran进行模态分析，在Hypermesh中做完前处理后提交Nastran进行计算，最后在Hyperview中显示结果。首先计算支架本体模态分析，计算模型如图9所示；其次计算支架安装在横梁上时局部模态，计算模型如图10所示；最后计算携带白车身时的整体模态，计算模型如图11所示。分别对三种模型计算工况模态，前两种约束安装点1至6自由度，第三种约束白车身截断面各节点1至6自由度。由于结构或材料在振动时通常是低阶模态在发生作用，故只计算其前10阶模态，各阶固有频率如表2至表4所示。基于三种状态下各阶固有频率结果对比，选用支架安装在横梁上的模型，在1-100Hz范围内对其进行振动疲劳分析，分析其振动疲劳性能。零件或结构在外部激励作用下，会同时发生振动和疲劳裂纹扩展，两者之间相互作用不仅影响工程结构的正常工作，还将严重地影响结构的安全可靠性。振动是指机械或结构系统在其平衡位置附近的往复运动，是物质运动的普遍形式之一。疲劳特点是无明显的塑性变形，常出现突然断裂。
性，解决各种机械结构振动问题的重要手段，广泛应用于航空航天、汽车以及包装运输等领域，其为结构环境振动试验的核心。NcodeDesign-life可结合Nastran对试件进行疲劳可靠性仿真分析，通过导入有限元分析结果和载荷时间历程文件,即可得到试件在循环载荷作用下的寿命图。先通过Nastran施加强制位移计算频率响应，将频率响应的输出结果作为Ncode计算的输入文件，赋予扫频激励、材料E-N曲线与求解器参数后进行计算，输出的结果使用Hyperview进行后处理显示。约束横梁与前纵梁连接点123456自由度,分别在X、Y、Z三个方向加载单位载荷的强制位移,得到计算结果后，导入Ncode进行疲劳分析。疲劳分析包含X、Y、Z三个方向，每个方向扫频1-100-1（Hz）,速率为20次/小时,各方向扫频加速度均为1G；每个方向循环900次，一共循环2700次。Feinput模块输入文件为Nastran结果文件，激励为扫频振动激励VibrationGenerator模块，求解器为VibrationAnalysis模块，Feoutput为结果输出模块。分别对X、Y、Z方向依次进行计算，从而得到输出结果。结果为疲劳损伤值，当损伤值大于1时，表示在扫频工况下，有发生疲劳破坏的风险，此时结构若发生破坏，则振动疲劳是发生失效的主要原因。
各方向振动疲劳结果输出后，在后处理软件Hpyerview中显示，统计出结果如表5所示。详细的疲劳损伤云图如图13所示，从左至右依次为X向、Y向、Z向。云图显示的损伤值最大位置与路试发生开裂的位置一致，结果对比如图14所示。这表明了计算的准确性。由扫频振动疲劳分析结果可以判断，开裂原因即为疲劳损伤，而非强度问题。在Y向扫频时损伤值极大，可以判定疲劳开裂原因为结构的Y向支撑不足。根据疲劳结果对结构进行优化。由于Y向支撑不足，在支架侧面增加加强件，增强Y向支撑；将支架底板Y向延长，为加强件提供安装面；开裂结构为焊点连接，且仅有4颗焊点，优化后在支架与加强件之间增加焊缝连接与螺栓连接。优化后的结果如图15所示。对优化后的结构进行扫频振动疲劳分析，以验算其疲劳性能。以相同的边界条件基于Nastran对结构进行频率响应分析，得到的输出结果作为Ncode的输入文件，以相同的计算条件分别对结构进行X、Y、Z方向的扫频振动疲劳计算。详细的疲劳损伤云图如图16所示，从上至下依次为X向结果、Y向结果、Z向结果。将优化后结构制作样件，搭载路试车进行10000Km强化耐久路试，在路试完成后，结构未发生开裂，开裂问题已解决，支架已经可以满足搭载PTC模块进行使用的要求。路试车在路试中PTC支架折弯处附近发生开裂，经强度计算可知该结构强度满足设计需求，而Y向扫频振动疲劳分析结果中，损伤值较大的位置集中在支架折弯处，这与路试结果吻合，计算准确。该样件的损伤原因为疲劳损伤，导致疲劳损伤的原因为Y向支撑不足；在对结构进行优化后，计算结果无风险，满足设计需求；将优化后的结构制作样件并搭载路试车进行试验验证，未发生开裂，优化有效，支架开裂问题成功解决。
