某载货车电瓶支架断裂结构优化

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摘 要：针对某载货车电瓶支架总成在整车道路试验中出现断裂的问题,在Abaqus软件中建立其有限元模型,进行强度计算校核,找出断裂破坏的主要原因,并提出改进建议.改进后的电瓶支架在试验中无损坏,并已经小批量投产.对电瓶支架总成进行减重,利用Abaqus软件的拓扑优化模块对电瓶支架进行拓扑优化,并对优化后新设计的结构进行计算.拓扑优化后新设计结构满足强度要求,实现减重2.93kg.

关 键 词：电瓶支架；断裂；强度校核；拓扑优化；Abaqus

中图分类号：U463.83；TB115.1文献标志码：B

引言

载货车电瓶支架总成固定在车架纵梁的外侧,承载着发动机起动所用的蓄电池和制动贮气筒,支架的断裂直接影响车辆行驶的安全性.随着CAE辅助设计技术的日益发展,设计师们对CAE有限元分析的应用也越来越广泛.[1]

本文针对某载货车新设计的电瓶支架在道路试验过程中出现断裂的问题,利用Abaqus软件进行强度计算.根据计算结果和实际破坏位置,综合考虑工艺的影响,分析电瓶支架破坏的原因并提出合理的改进建议.同时,为进一步降重,利用Abaqus拓扑优化模块对电瓶支架总成进行拓扑优化.

1有限元模型的建立

电瓶支架由薄板件焊接而成,根据1/10简化原则[2]将支架简化为板壳单元.各板件单元类型均为S4R,单元尺寸按照接触的主从面关系设置.板件材料为Q235,屈服极限为235MPa,强度极限为390MPa.

根据电瓶支架在整车中的实际装配情况简化连接关系和边界载荷等,见图1.各板件之间的焊接关系采用Abaqus中Fastener焊点模拟.电瓶支架承载的蓄电池和贮气筒载荷均简化为质量点,分布在电瓶支架上.简化后的计算模型见图2.车架纵梁两端固定约束,计算工况为垂直向下3g加速度冲击工况和向后0.9g且向下1g加速度制动工况.

图1电瓶支架实车装配

图2电瓶支架简化后模型

2计算结果和支架破坏原因分析

电瓶支架的vonMises应力计算结果见图3,可知,最大应力为200.7MPa,引起最大应力的原因主要是螺栓预紧作用,且最大应力小于材料Q235屈服极限235MPa,不足以导致破坏.

电瓶支架的实际破坏情况见图4,可以看出电瓶支架破坏的地方都为折弯圆角处,而对应的弯角处的最大应力为152MPa,远小于材料Q235的屈服极限235MPa,也不足以导致破坏.

查阅支架的设计图纸和三维数据文件,发现电瓶支架侧板的厚度为4mm,设计的折弯内圆角半径为4mm.金属板料压弯工艺设计规范[3]规定见表1.初步判断电瓶支架破坏的原因为设计的折弯半径过小.通过装配现场调研,发现在装配的时候,圆角处有不易发现的裂纹,见图5.

（a）垂直工况

（b）制动工况

图3垂直和制动工况下电瓶支架vonMises应力云图

（a）实际破坏位置

（b）vonMises应力云图

图4电瓶支架实际破坏位置和计算应力云图

3结构改进措施

原电瓶支架结构见图6.根据电瓶支架强度计算结果与实际断裂破坏情况,结合图6,提出以下4项改进建议.

（1）工艺上,增大折弯的内圆角半径,严格按照金属板料压弯工艺设计规范选取合适的内圆角半径（6或8mm）,防止产生表面微裂纹.

（2）侧板下方的开口处应闭合,改善侧板受到的垂直力和前后纵向力的传递路径,电瓶支架侧板结构改进前、后的应力分布见图7.

（3）加强板的侧面去除,只需加强螺栓孔处即可,不需要加强左、右侧板.考虑到Q235材料的强度较低,加强板应更换成屈服强度极限更大的材料.

（4）连接板垂直部分去除,降低其刚度,减轻对左、右侧板的扭转作用.

（a）侧板下方未闭合应力云图

（b）侧板下方闭合后应力云图

图7侧板下方闭合前、后应力云图

改进后电瓶支架结构在道路试验中未发现断裂情况,并已经小批量投产,实车装配见图8.

图8改进后结构实车装配

4结构优化

改进后的电瓶支架结构由于全部采用355L（屈服极限为355MPa,拉伸强度为500MPa）材料,增加生产成本.因此,在保证支架强度的情况下对支架进行降重,利用Abaqus拓扑优化模块对电瓶支架进行拓扑优化.[4]改进后结构的vonMises应力云图见图9.图9改进后结构的vonMises应力云图

根据初步改进后结构的应力计算分析结果可知,电瓶支架应力最大为178.9MPa,在左侧加强板上方螺栓孔处,能够满足强度要求.侧板上大部分应力几乎为0,浪费材料,对结构刚度的贡献较小,所以主要对侧板进行拓扑优化.为使得拓扑优化后的电瓶支架满足强度要求,需要让侧板传递力的路径保持基本不变,保留材料刚度起作用的地方,即刚度最大化.

Abaqus中的拓扑优化有2种算法：基于控制器的优化算法和基于灵敏度的优化算法.对于刚度优化,基于控制器的优化算法具有效率高且结果更好等优点,所以采用基于控制器的优化算法.

优化后结构见图10,侧板结构重新设计,将侧板设计成直角形钢板,见图11.为验证优化后结构满足强度要求和优化问题简化的合理性,对其进行强度校核,计算结果见图12.优化后支架结构的最大应力值为128.6MPa,稍好于优化前的最大应力175.6MPa,同时左、右侧板共减轻2.93kg.

图10拓扑优化后电瓶支架的几何结构图11拓扑结构有限元校核分析模型

（a）优化前侧板垂直工况应力云图

（b）优化后侧板垂直工况应力云图

图12优化前、后侧板垂直工况应力云图

5结束语

通过将电瓶支架进行强度计算和实际断裂破坏情况对比分析,找到电瓶支架破坏的原因,并提出改进建议.改进后的电瓶支架结构在道路试验中无损坏,验证计算分析的重要性和准确性.为实现在保证电瓶支架强度的情况下对其降重,利用Abaqus对其侧板进行拓扑优化,实现降重2.93kg.参考文献：

[1]梁江波.某型越野车油箱支架断裂原因有限元分析[J].工程机械,2010（41）：3235.

[2]庄茁,由小川,廖剑辉,等.基于Abaqus的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社,2009：219223.

[3]JB/T5109—2001金属板料压弯工艺设计规范[S].

[4]吴仕赋.基于有限元汽车支架拓扑优化设计[J].工程机械,2010（41）：2650.

[5]谢可新,韩建,林友联.最优化方法[M].2版.天津：天津大学出版社,2004.

（编辑武晓英）