泵室前支柱失效原因分析及优化研究

徐内恒

[摘要]针对一种铝合金无骨架结构的泵室前支柱的开裂情况，根据产品图纸和计算工况要求，进行几何建模和有限元力学性能分析，获得泵室的整体位移和强度计算结果，以及失效对象-支柱的位移和强度计算结果。采取不同的优化方案进行分析，获得一组对比数据。从而找出其失效原因并制定改进措施，为其它铝合金无骨架结构设计提供参考依据。

[关键词]支柱；铝合金；开裂；有限元

前言：

铝合金无骨架结构相比于碳钢蒙皮结构，具有无焊接应力、不生锈、重量轻等优点。机械零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限会发生断裂，或者零件在受变应力作用时，危险截面上同样也会发生断裂。为确保铝合金无骨架结构在车辆行驶过程的安全可靠，对此种失效形式开展有限元科学分析与其优化设计较为必要。

1、概述

泵室主要用于消防泵及消防管路的布置，同时一部分消防器材也存放于此。铝合金无骨架结构的泵室，它是由底架、前后封板、顶板及支柱通过螺栓及胶连接而成。泵室经副车架和底盘大梁连接，为降低底盘实际运作过程中冲击经由副车架快速传递至泵室当中，副车架和泵室之间会增设橡胶弹性支撑。发生开裂失效前支柱的宏观照片如图1所示。

图1 前支柱

2、有限元科学分析与其优化策略

2.1模型建立

泵室模型外廓尺寸长×宽×高：1450×2440×2335(mm)。模型主体由壳体、底架、翻门、踏板等组成。如图2所示：

图2 泵室几何模型

采用HyperMesh对泵室进行网格划分，不仅可以在计算效率上大幅度减少由于网格质量低造成的误差，还可以减少计算量，加快收敛。通过混合单元建模方式建立了泵室模型的有限元模型，主要混合单元构成：模型包括35269个节点，31287 个单元，其中，有292个实体单元（Solid186），726个梁单元（Beam188），2953个壳体类单（Shell181）。

2.2前支柱的材料参数

泵室前支柱材料为铝板4.0/5754，其材料特性如表1所示。

90°弯曲半径	弹性模量（MPa）	泊松比	抗拉强度（MPa）	许用应力（MPa）
1.5t	6.9e4	0.35	220	130

表1 前支柱材料属性

2.3道路行驶结构响应有限元计算与分析

(一)计算方法

按照多刚体动力学在道路行驶工况下的PSD谱线作为输入激励；计算模型整体模态的随机振动响应。

图3 越野路面谱

(二)泵室仿真结果

按照加载要求，以0.1S作为一个激励周期；获得了泵室整体的位移及应力云图节选(如图4)，及立柱的位移及应力云图节选(如图5)。

(a)位移云图                       (b)应力云图

图4 泵室分析结果

 

(a)位移云图                       (b)应力云图

图5 立柱分析结果

通过力学性能分析发现，支柱在上下位置的连接处均出现了较大的应力数值，最大应力为518MPa，远远超出材料的许用应力；可能是导致运行中发生破坏的主要原因。

2.4结构优化有限元计算与分析

加载是通过底架的4个弹性支撑点，由下往上传递；通过增加底架弹性支撑点至6个(方案一)。原支柱的上下角两侧的折弯未闭合，改进上下角为焊合连接(方案二)。原左右支柱的结构尺寸有较大的差别，将前支柱更换成左右对称和改善止裂口(方案三)三种方法。重新进行泵室整体及支柱的分析，获得相关的位移及应力云图。优化后的方案与原车的强度计算结果对比分析如下表：

表2 激励周期内应力数据表

从表中可以看出，在改进上下角连接工艺后能够满足强度要求，由原来的最大518Mpa降低至最大126Mpa；相对于原车有了十分显著的改进。

3、结语

综上所述，此次围绕泵室整体与支柱开展有限元科学分析与其优化策略分析后了解到，泵室设计中对于面积较大，大跨度的局部区域，由于缺少支撑，受力时容易产生较大变形或开裂失效。通过改进上下角连接工艺，从而实现局部受力小于板材的强度特性；另外，可在大平面板材的中间加入支撑，增加结构整体强度；再者，左右立柱采用对称结构，改善钣金件的止裂口等方式都可以有效避免失效发生。

参考文献：

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究[J].专用汽车,2020,000(012)：86-89.