基于Abaqus某型号中冷器振动失效诊断

杨俊生

摘 要：企业为节省产品现场试验费用 开发同类产品现场试验与有限元仿真关联研究与验证 以确保有限元分析与现场试验的高度吻合 两者结果误差应在5%以内。据此运用FEA技术对产品设计快速响应 使得设计变更更有针对性。文章以某型号中冷器为研究对象 进行谐响应仿真后发现产品失效。为解决失效问题 理论联系实践 依据产品动力学方程及系统幅频特性曲线 找出影响产品失效的关键因素─频率比。

关键词：谐响应;隔振器;固有频率;动刚度系数;频率比;幅频特性

中图分类号：O316  文献标识码：A  文章编号：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

按照標准[1]要求 车辆的里程数达到60万公里后 就会被引导报废 这就给小汽车的可靠性设计提供了基准 据此也就决定了汽车零部件耐久寿命。对于汽车空空中冷器按照相关汽车行业标准[2]或企业标准要求按照规定的方法振动次数一般不超过30万次 但也有企业标准会另外要求的 以此来验证产品的抗振能力及符合可靠性设计的要求;为保证产品能够符合相关标准及客户的要求 这涉及到两方面：输入 即由于客户会针对一些车型做出一些针对性的要求;输出 即汽车零部件厂家会根据自己公司CADs库和相关工具及经验设计出符合输入端的要求的产品。那么当产品出现失效时如何结合公司现有改进工具实践与理论互相验证 抓住主要矛盾进行研究分析。很多情况下初始结构设计并不一定都能符合客户规定的要求 在运用FEA等技术 发现产品失效的情况下如何诊断及如何采取措施使得产品符合客户要求将在文章中进一步讨论。空空中冷器工作原理参见图1。

1 振动分析

1.1 模态分析

按照相关标准或者技术规范要求 首先提取空-空中冷器的固有频率 在进行模态分析前 检查FEA模型与BOM表中模型质量进行比对 偏差在5%内 符合仿真要求。文章涉及产品模型示意图参见图2 要求提取1-100Hz内的固有频率 而模型中的隔振器的动刚度系数为：Kx=27.5N/mm Ky=134N/mm Kz=134N/mm 气室材料为玻璃纤维塑料 芯体材料为铝合金 边界条件尽量接近实际安装方式 模态分析结果参见表1。

前三阶振型分别是按X Y Z方向的摆动。

1.2 谐响应分析

按照产品技术规范的要求 当固有频率不超过50Hz时 按此频率进行谐响应分析 产品振动参数要求参见表2。

按规定激励进行谐响应仿真 结果参见表3。

由表3可知 振动结果显示在中冷器在X和Y方向上中冷器的芯体和气室均不能达到标准要求的寿命。

2 失效诊断

技术规范要求 当扫描固有频率小于50Hz时以固有频率及表2规定的激励做谐响应分析 当固有频率大于50Hz时 以表2规定的激励及25Hz的振动频率做谐响应分析。

对于中冷器在x y z三轴 每个方向谐响应模型动力学方程式为：

系统固有频率

其中m为中冷器振动质量 c为系统阻尼 k为弹簧刚度系数 F为谐响应激励振幅 ω为激励圆频率 ωn为无阻尼时的固有频率 ξ为阻尼比 t为时间历程 u为位移响应。

影响振幅的主要因素分别为激励幅值、频率比以及阻尼比。由于激励振幅是一定的 阻尼比在仿真中是按5%的经验值 这也决定了当激励频率与共振频率相当时系统振幅为最大 所以唯一能够影响到中冷器振幅的是频率比 如图3所示 当频率比远离1的时候 系统不发生共振。由于中冷器质量限于空间和材料成本以及需要满足流体动力学的要求 基本上更改的裕量不大;那么更改在可能的范围内提高隔振器的动刚度系数多数情况下是一种有效的方法。

3 二次分析

根据上述诊断结果 进行二次分析 首先去除隔振器并观察中冷器固有频率的变化 结果参见表4 由表可知第1阶频率由24Hz提升到75Hz 由此可以计算出产品的频率比为3 从图3中看出系统振动幅度较小系统安全。

下一步则通过提高隔振器的动刚度系数进行模态测试分析并观察系统共振频率的变化趋势 具体参见表5。

通过表5数据看出随着隔振器动刚度系数的变化 固有频率缓慢增加 但是随着动刚度系数的增加 隔振器可实现此动刚度系数的可能性递减 由上述的失效诊断可知 产品依然存在很大失效风险。因此提高隔振器动刚度系数的方法看起来起不到明显作用 前面已经提到当系统无隔振器时系统的频率比为3 无隔振器器系统的谐响应结果参见表6。

去除隔振器后中冷器的固有频率从24Hz提升到75Hz 频率比从1提升到3 振动结果符合客户要求。隔振器的作用相当于弹簧 起到缓冲减振的目的;没有隔振器一方面提高了系统整体刚度 使得系统刚度提升 固有频率提高;另一方面由于该中冷器三个与整车连接的支架比较长 材料是纤维增强塑料 降低了整个中冷器系统的刚度 一定程度上起到了代替隔振器起到缓冲减振的目的 因此隔振器的作用就不那么凸显。

4 结论

文章通过实践与理论结合 依据产品动力学方程及系统幅频特性曲线 找出影响产品失效的关键因素—频率比 以此解决产品谐响应失效问题。此外由于此中冷器产品与整车连接通过较长的支架连接 一定程度上起到缓冲减震的作用

导致隔振器作用不凸显。文章研究还存在以下不足 一方面由于文章没有考虑因去除隔振器是否会带来一些问题 比如噪音问题 如果产品标准对结构噪音有要求 那么需要进一步进行结构噪音分析。另一方面由于中冷器气室材料是玻璃纤维增强材料 有条件的情况下进行结构与流变耦合仿真会使得仿真更接近真实情况。

參考文献

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