文章來源：威馬汽車科技集團(tuán)有限公司 0引言 目前 PTC系統(tǒng)是純電動汽車上成熟且安全的采暖系統(tǒng)，某車型本次試驗(yàn)車該系統(tǒng)通過金屬支架安裝在車輛機(jī)艙前橫梁上。車輛在各種復(fù)雜路面上行駛時會受到各種載荷帶來的沖擊，不僅僅對于底盤與車身件并且對于各類模塊的
目前 PTC系統(tǒng)是純電動汽車上成熟且安全的采暖系統(tǒng)，某車型本次試驗(yàn)車該系統(tǒng)通過金屬支架安裝在車輛機(jī)艙前橫梁上。車輛在各種復(fù)雜路面上行駛時會受到各種載荷帶來的沖擊，不僅僅對于底盤與車身件并且對于各類模塊的安裝支架而言也是 極大的考驗(yàn)， 因此設(shè)計(jì)出安全可靠的支架對于車輛 研發(fā)與使用而言是必不可少的。道路試驗(yàn)是指機(jī)動車制造廠商為檢測新型車輛的各項(xiàng)性能、 技術(shù)參數(shù)而在不同環(huán)境及真實(shí)道路上進(jìn)行的試驗(yàn)。將眾多復(fù)雜且惡劣的地形集中在整段路面內(nèi)，車輛駛過該路面不同地形時承受不同方向、頻率、大小的載荷，使車輛以不同里程、不同路面組合與不同循環(huán)數(shù)駛過，從而用來對車輛進(jìn)行試驗(yàn)的路面被稱為強(qiáng)化耐久路，為了更快的暴露問題與更好的檢測車輛性能，一般會采用強(qiáng)化耐久路對車輛進(jìn)行路試。PTC(PositiveTemperatureCoefficient)模塊即車載前艙高壓加熱器，具有體積小、輸出功率大、恒溫自控等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段是最為穩(wěn)定可靠、高效且無污染的方案。隨著純電動汽車的發(fā)展和普及，開發(fā)一款結(jié)構(gòu)緊湊高效的PTC加熱裝置完全符合電動汽車的發(fā)展潮流。在某車型強(qiáng)化耐久路試中， 試驗(yàn)車前艙的PTC 模塊支架發(fā)生了開裂與斷裂問題，如圖 1所示。 為了明確產(chǎn)生問題的原因并對其改進(jìn)優(yōu)化，進(jìn)行了下述分析與研究。由于在試驗(yàn)中支架發(fā)生開裂， 故對其進(jìn)行CAE分析。首先對其進(jìn)行強(qiáng)度分析，確定是否為強(qiáng)度不足原因?qū)е碌膯栴}；其次對其進(jìn)行模態(tài)分析，確定其低階模態(tài)頻率，了解其模態(tài)性能；最后對其進(jìn)行振動疲 勞分析； 根據(jù)分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行CAE驗(yàn)證分析，最后制作樣件搭載路試車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在車輛的行駛過程中， 會出現(xiàn)以下對支架產(chǎn)生各個方向沖擊的典型惡劣工況：（1）垂直上跳工況； （ 2）緊急制動工況；（3）左急轉(zhuǎn)向工況；（4）右急轉(zhuǎn)向工況；（5）左急轉(zhuǎn)向后緊急制動工況。這幾種工況會對車輛造成各個方向的慣性載荷沖擊，在整車研發(fā)流程的CAE分析中，一般用這五種分析工況來計(jì)算考察支架類的強(qiáng)度。Hypermesh是一款功能強(qiáng)大的前處理軟件，ABAQUS則是車企通用的一款功能強(qiáng)大的求解器，這兩款軟件能夠結(jié)合使用從而達(dá)到對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確計(jì)算的目的。本章基于Hypermesh與ABAQUS對PTC支架進(jìn)行強(qiáng)度分析。使用 Hypermesh對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料設(shè) 置、屬性賦予與邊界條件定義。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何清理，清理完成后，對于鈑金件使用 2d平面shell網(wǎng)格，并在屬性中對其賦予厚度；對于實(shí)體結(jié)構(gòu)以solid網(wǎng)格劃分為四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后，對網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，修正質(zhì)量較差網(wǎng)格與失敗網(wǎng)格，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。PTC模塊本體以質(zhì)量點(diǎn)代替，在其質(zhì)心位置建立mass點(diǎn)，以RBE2單元連接至安裝點(diǎn)。焊點(diǎn)建立為ACM類型。劃分好的網(wǎng)格如圖2所示。由于支架安裝在前艙橫梁上， 為模擬其真實(shí)受力狀態(tài)，故在分析時將其安裝在橫梁上，連帶橫梁一起，截取部分白車身進(jìn)行計(jì)算。對每個零部件賦予其相應(yīng)的材料與屬性后，在白車身截?cái)嗝娓鞴?jié)點(diǎn)建立約束，約束安裝點(diǎn)全部自由度，對整體分別施加五個強(qiáng)度工況下的慣性載荷，完整計(jì)算模型如圖3所示。將設(shè)置好的計(jì)算模型導(dǎo)入 ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，然后在Hyperview中導(dǎo)入結(jié)果進(jìn)行顯示。PTC支架采用的材料為DC01，該材料的屈服強(qiáng)度為209MPa，若在某工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中最大處高于這個值，結(jié)構(gòu)在該工況下該位置將發(fā)生屈服，即強(qiáng)度不滿足要求。故在強(qiáng)度計(jì)算中，一般以結(jié)果不大于屈服強(qiáng)度作為目標(biāo)，小于屈服強(qiáng)度即為合格。詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如表1所示。各工況詳細(xì)計(jì)算結(jié)果云圖如圖 4至圖8所示。結(jié)論：由應(yīng)力云圖結(jié)果可知，該支架在各工況下最大應(yīng)力均未超出材料屈服，滿足強(qiáng)度要求。 故該支架開裂問題并非強(qiáng)度問題，并對其進(jìn)行后續(xù)分析。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種方法，一般應(yīng)用在工程振動領(lǐng)域。 其中，模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)都有特定的固有頻率和模態(tài)振型。分析這些模態(tài)參數(shù)的過程稱為模態(tài)分析。基于 Hypermesh與Nastran進(jìn)行模態(tài)分析，在Hypermesh中做完前處理后提交Nastran進(jìn)行計(jì)算，最后在Hyperview中顯示結(jié)果。首先計(jì)算支架本體模態(tài)分析， 計(jì)算模型如圖9 所示；其次計(jì)算支架安裝在橫梁上時局部模態(tài)，計(jì)算模型如圖 10所示；最后計(jì)算攜帶白車身時的整體模 態(tài)，計(jì)算模型如圖 11所示。分別對三種模型計(jì)算工況模態(tài)， 前兩種約束安裝點(diǎn)1至6自由度，第三種約束白車身截?cái)嗝娓鞴?jié) 點(diǎn) 1至6自由度。由于結(jié)構(gòu)或材料在振動時通常是低階模態(tài)在發(fā)生作用，故只計(jì)算其前10階模態(tài)，各階固有頻率如表2至表4所示。基于三種狀態(tài)下各階固有頻率結(jié)果對比， 選用支架安裝在橫梁上的模型，在1-100Hz范圍內(nèi)對其進(jìn)行振動疲勞分析，分析其振動疲勞性能。零件或結(jié)構(gòu)在外部激勵作用下， 會同時發(fā)生振動和疲勞裂紋擴(kuò)展，兩者之間相互作用不僅影響工程結(jié)構(gòu)的正常工作，還將嚴(yán)重地影響結(jié)構(gòu)的安全可靠性。振動是指機(jī)械或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在其平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動，是物質(zhì)運(yùn)動的普遍形式之一。疲勞特點(diǎn)是無明顯的塑性變形，常出現(xiàn)突然斷裂。
正弦掃頻試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性，解決各種機(jī)械結(jié)構(gòu)振動問題的重要手段，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車以及包裝運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，其為結(jié)構(gòu)環(huán)境振動試驗(yàn)的核心 。NcodeDesign-life可結(jié)合Nastran對試件進(jìn)行疲勞可靠性仿真分析，通過導(dǎo)入有限元分析結(jié)果和載荷時間歷程文件,即可得到試件在循環(huán)載荷作用下的壽命圖。先通過Nastran施加強(qiáng)制位移計(jì)算頻率響應(yīng)，將頻率響應(yīng)的輸出結(jié)果作為Ncode計(jì)算的輸入文件，賦予掃頻激勵、材料E-N曲線與求解器參數(shù)后進(jìn)行計(jì)算，輸出的結(jié)果使用Hyperview進(jìn)行后處理顯示。約束橫梁與前縱梁連接點(diǎn) 123456自由度,分別在X、Y、Z三個方向加載單位載荷的強(qiáng)制位移,得到計(jì)算結(jié)果后，導(dǎo)入Ncode進(jìn)行疲勞分析。疲勞分析包含X、Y、Z三個方向，每個方向掃頻1-100-1（Hz）,速率為20次/小時,各方向掃頻加速度均為1G；每個方向循環(huán)900次，一共循環(huán)2700次。設(shè)置好的 Ncode計(jì)算流如圖12所示。Feinput模塊輸入文件為Nastran結(jié)果文件，激勵為掃頻振動激勵VibrationGenerator模塊，求解器為VibrationAnalysis模塊，F(xiàn)eoutput為結(jié)果輸出模塊。分別對X、Y、Z方向依次進(jìn)行計(jì)算，從而得到輸出結(jié)果。結(jié)果為疲勞損傷值，當(dāng)損傷值大于1時，表示在掃頻工況下，有發(fā)生疲勞破壞的風(fēng)險，此時結(jié)構(gòu)若發(fā)生破壞，則振動疲勞是發(fā)生失效的主要原因。
各方向振動疲勞結(jié)果輸出后， 在后處理軟件Hpyerview中顯示，統(tǒng)計(jì)出結(jié)果如表5所示。詳細(xì)的疲勞損傷云圖如圖 13所示，從左至右依次為X向、Y向、Z向。云圖顯示的損傷值最大位置與路試發(fā)生開裂的位置一致，結(jié)果對比如圖 14所示。這表明了計(jì)算的準(zhǔn)確性。由掃頻振動疲勞分析結(jié)果可以判斷，開裂原因即為疲勞損傷，而非強(qiáng)度問題。在Y向掃頻時損傷值極大，可以判定疲勞開裂原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的Y向支撐 不足。5結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證根據(jù)疲勞結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 由于Y向支撐不足，在支架側(cè)面增加加強(qiáng)件，增強(qiáng)Y向支撐；將支架底板Y向延長，為加強(qiáng)件提供安裝面；開裂結(jié)構(gòu)為焊點(diǎn)連接，且僅有4顆焊點(diǎn)，優(yōu)化后在支架與加強(qiáng)件之間增加焊縫連接與螺栓連接。優(yōu)化后的結(jié)果如圖15所示。對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻振動疲勞分析， 以驗(yàn) 算其疲勞性能。 以相同的邊界條件基于Nastran對結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，得到的輸出結(jié)果作為Ncode的輸入文件，以相同的計(jì)算條件分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行X、Y、Z方向的掃頻振動疲勞計(jì)算。優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果如表 6所示。詳細(xì)的疲勞損傷云圖如圖 16所示，從上至下依次為X向結(jié)果、Y向結(jié)果、Z向結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可知， Y向掃頻振動疲勞強(qiáng)度有所提升。
將優(yōu)化后結(jié)構(gòu)制作樣件， 搭載路試車進(jìn)行10000Km強(qiáng)化耐久路試，在路試完成后，結(jié)構(gòu)未發(fā)生開裂，開裂問題已解決，支架已經(jīng)可以滿足搭載PTC模塊進(jìn)行使用的要求。路試車在路試中 PTC支架折彎處附近發(fā)生開裂，經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算可知該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求，而Y向掃頻振動疲勞分析結(jié)果中，損傷值較大的位置集中在支架折彎處，這與路試結(jié)果吻合，計(jì)算準(zhǔn)確。該樣件的損傷原因?yàn)槠趽p傷，導(dǎo)致疲勞損傷的原因?yàn)閅向支撐不足；在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果無風(fēng)險，滿足設(shè)計(jì)需求；將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制作樣件并搭載路試車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，未發(fā)生開裂，優(yōu)化有效，支架開裂問題成功解決。
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