何鋒，馮春亮

(貴州大學(xué)機(jī)械學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

0 引言

汽車擋風(fēng)玻璃洗滌液噴水壺是汽車洗滌液的盛放容器，由壺體及前下、前上、右后上、后下4 個(gè)支架組成。由于多數(shù)汽車的噴水壺安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，振動(dòng)環(huán)境較惡劣，且汽車行駛中壺體加入洗滌液后受到液體載荷的沖擊，各個(gè)支架受力不均等，導(dǎo)致壺體開(kāi)裂、支架處松動(dòng)等問(wèn)題。在批量生產(chǎn)前，為了驗(yàn)證洗滌液噴水壺動(dòng)態(tài)特性是否滿足要求，對(duì)其進(jìn)行CAE 分析。

通過(guò)建立某車型用擋風(fēng)玻璃洗滌液噴水壺三維模型，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析，以驗(yàn)證其在正常工況下各部分的應(yīng)力應(yīng)變是否滿足要求，保證產(chǎn)品可靠性。

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性的方法，通過(guò)模態(tài)分析可以了解結(jié)構(gòu)的共振區(qū)域，驗(yàn)證三維模型是否正確［1］。頻響分析是用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)的方法，可以得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與頻率之間的關(guān)系［2］。兩者結(jié)合分析有限元模型，便可以較好地驗(yàn)證模型的動(dòng)態(tài)特性。

運(yùn)用有限元分析軟件Nastran 對(duì)噴水壺三維模型進(jìn)行約束模態(tài)與頻率響應(yīng)分析［3-4］，通過(guò)讀取結(jié)果并對(duì)結(jié)果分析便可以得到洗滌液噴水壺的動(dòng)態(tài)特性，且驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)特性是否合理。

1 建立洗滌液噴水壺有限元模型

1.1 建立模型

在盡量保持噴水壺主要特征、不改變其力學(xué)性能的前提下，忽略某些對(duì)模型整體力學(xué)性能影響較小的幾何特征(如凹槽、小孔等)，對(duì)噴水壺進(jìn)行簡(jiǎn)化。建立簡(jiǎn)化后的噴水壺三維模型。

1.2 劃分網(wǎng)格

對(duì)建立好的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中對(duì)網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密度、單元階次、網(wǎng)格質(zhì)量等進(jìn)行合理調(diào)整，主要單元指標(biāo)如表1 所示。

表1 主要單元標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)格劃分完成后的有限元模型如圖1 所示。模型中，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為17 961 個(gè)，單元數(shù)為18 127 個(gè)。

模型中長(zhǎng)度單位為mm，力單位為N，質(zhì)量單位為t，重力加速度取g =9.8 m/s2。洗滌液壺本體及支架有限元網(wǎng)格大小按照4 mm 進(jìn)行劃分，單元類型為CQUAD4 及少量CTRIA3 板殼單元。洗滌液壺本體和支架之間的連接采用節(jié)點(diǎn)融合的方式實(shí)現(xiàn)。

1.3 施加載荷

施加載荷過(guò)程中，洗滌液壺本體及支架的質(zhì)量通過(guò)分析軟件的屬性選項(xiàng)卡自動(dòng)實(shí)現(xiàn);洗滌液壺裝載液體的質(zhì)量通過(guò)修改洗滌液壺本體材料密度進(jìn)行質(zhì)量匹配。該洗滌液壺加水總質(zhì)量為4.5 kg。

2 約束模態(tài)分析

2.1 邊界條件

邊界條件:約束洗滌液壺4 個(gè)支架位置螺栓孔連接處6 個(gè)方向自由度，如2 所示。

根據(jù)洗滌液壺試驗(yàn)激振頻率的特點(diǎn)，約束模態(tài)考察范圍選取30 ～40 Hz。

2.2 施加材料特性

洗滌液壺本體及支架材料為PP4，該材料具有優(yōu)異的耐熱氧老化和光老化性能，以保證零件在惡劣環(huán)境下的安全性。材料特性如表2 所示。

表2 材料特性

2.3 模態(tài)分析

邊界條件與材料屬性施加完成后，對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)分析。分析結(jié)果顯示，在30 ～40 Hz 頻率范圍內(nèi)只有1 階模態(tài)出現(xiàn)，模態(tài)位移變形結(jié)果及應(yīng)變能結(jié)果如圖3、圖4 所示。

2.4 結(jié)果分析

在30 ～40 Hz 頻率范圍內(nèi)，洗滌液壺只有1 階模態(tài)出現(xiàn)，主要振型為前后方向擺動(dòng)，固有頻率為36.78 Hz;從模態(tài)應(yīng)變能結(jié)果可以看出，此時(shí)能量主要集中在洗滌液壺的前下支架上，其余支架及本體應(yīng)變能較小。

3 頻率響應(yīng)分析

在4 個(gè)支架約束處同時(shí)分工況強(qiáng)迫施加前后、左右、上下方向的加速度，加速度為3g。

分析得到頻率響應(yīng)結(jié)果部分圖形如圖5—7 所示。

表3 洗滌液壺頻響分析應(yīng)力結(jié)果

從表3 可以看出:在30 ～40 Hz 范圍內(nèi)存在3 個(gè)頻響峰值，分別為33.11、36.79、39.30 Hz。所有工況中，33.11、36.79 Hz 時(shí)的應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在洗滌液壺前下支架處，39.30 Hz 時(shí)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在后右上支架處。前后方向激勵(lì)工況下，在36.79 Hz 時(shí)最大應(yīng)力峰值位于前下支架處，大小為57 MPa，超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，見(jiàn)局部放大圖8。且在33.11 Hz 頻率時(shí)最大應(yīng)力也出現(xiàn)在該支架處，與試驗(yàn)的激振頻率33 Hz 接近，易造成疲勞損壞。同時(shí)結(jié)合以上模態(tài)分析結(jié)果可知，36.78 Hz 是洗滌液壺的固有頻率點(diǎn)，且前下支架處的應(yīng)變能非常大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)擋風(fēng)玻璃洗滌液壺結(jié)構(gòu)的CAE 仿真分析研究得出:在30 ～40 Hz 頻率范圍內(nèi)，洗滌液壺只有1 階模態(tài)出現(xiàn)，主要振型為前后方向擺動(dòng)，其前下支架應(yīng)變較大，其他部分應(yīng)變較小。

該壺的前下支架局部應(yīng)變過(guò)大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。應(yīng)對(duì)該支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的加強(qiáng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，以確保洗滌液噴水壺總成能夠滿足使用要求。

【1】傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2000:10-18.

【2】張科進(jìn)，管義群.基于頻響分析的客車骨架動(dòng)態(tài)特性研究［J］.客車技術(shù)與研究，2009，31(6):8-10，15.

【3】蘇小平，朱健.基于MSC. Nastran 的輕型客車車身骨架的模態(tài)分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32(10):142 -143.

【4】吳碧磊，秦民，李幼德，等. 載貨汽車駕駛室乘坐舒適性研究［J］.汽車工程，2006，28(12):1057-1061.