汽車燃油管路的有限元模擬

汽車燃油管路的有限元模擬

1硬管與發(fā)動(dòng)機(jī)和硬管連接物的設(shè)計(jì)進(jìn)入21世紀(jì)后，中國的汽車產(chǎn)量呈現(xiàn)出井然水平。2009年，它再次突破了1000萬輛以上的大型車間。其發(fā)展方向也越來越安全，節(jié)能環(huán)保，物流美觀。但是近幾年來,汽車召回事件有增無減,其中與底盤管路零件相關(guān)的日趨增多,尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油管的泄漏,有可能給車主帶來致命性的危害。汽車燃油管路的設(shè)計(jì)基本由總布置控制,因此一般采用三維軟件的二次開發(fā)設(shè)計(jì),配合一系列驗(yàn)證試驗(yàn)。在車身底部一般用鋼管(硬管)通過固定支撐與底盤相連,而在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)及油箱處,為了抗振,用尼龍軟管將硬管與發(fā)動(dòng)機(jī)、硬管與油箱相連。硬管與軟管的連接方式有兩種,一種是將軟管與快速接頭一端通過焊接等方式完全固定,而硬管插入快速接頭另一端仍可轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖1)。另一種是直接將軟管與做好擴(kuò)口的硬管實(shí)現(xiàn)冷插接,完全固定并達(dá)到一定的拔脫力要求(見圖2)。車身底部的固定支撐常見的有塑料管夾、橡膠管夾、金屬支架等,這些連接物與管路之間也有一定的拔脫力要求,否則油管如果從固定支撐物當(dāng)中脫開,也會(huì)產(chǎn)生極大的安全隱患(見圖3)。油管作為發(fā)動(dòng)機(jī)工作的大動(dòng)脈,承受著給發(fā)動(dòng)機(jī)輸送燃油的艱巨任務(wù)。油管結(jié)構(gòu)走向比較復(fù)雜,其固定支撐的位置也受到發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)的限制,由發(fā)動(dòng)機(jī)的布置決定。油管不僅要承受發(fā)動(dòng)機(jī)自身振動(dòng)的作用,還要承受燃油本身的高頻脈沖作用,當(dāng)它的自振頻率與其匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)不合適時(shí),在外界的激振力作用下,會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象,使油管發(fā)生開裂漏油,或是與發(fā)動(dòng)機(jī)上的零件碰撞有破裂漏油的風(fēng)險(xiǎn),工作條件非常惡劣。它的壽命不僅影響整機(jī)的可靠性,而且其失效后泄漏的燃油與排氣管等高溫零部件接觸后會(huì)引發(fā)火災(zāi),須引起足夠的重視。目前,設(shè)計(jì)管路的方法多數(shù)為經(jīng)驗(yàn)法及針對(duì)硬管的CAE模態(tài)分析,卻沒有將軟硬管聯(lián)系起來分析及將固定支撐件(金屬、塑膠及橡膠支撐)也一起放進(jìn)去分析的先例。文中將結(jié)合ANSYS中的幾個(gè)經(jīng)典算法,進(jìn)行多種工況的模態(tài)分析和后處理分析,結(jié)合平時(shí)汽車管路設(shè)計(jì)和造車的實(shí)際,提出預(yù)防泄漏的辦法,從而提高了整套燃油管路的設(shè)計(jì)水平,減少實(shí)際試驗(yàn)研究費(fèi)用和時(shí)間。2基于anasas軟件的模態(tài)分析首先,既然用ANSYS作振動(dòng)模態(tài)分析,就要保證其求解值必須與振動(dòng)理論的解析值一致或接近。從振動(dòng)理論看,因?yàn)楣逃姓駝?dòng)特性分析是通過研究無阻尼的自由振動(dòng),得到振動(dòng)系統(tǒng)的自然屬性,即固有頻率和振型。根據(jù)達(dá)朗伯原理:只要引入相應(yīng)的慣性力,就可將彈性體分割成有限個(gè)元素,因?yàn)槲灰坪蜁r(shí)間有關(guān),動(dòng)力問題就可化為相應(yīng)的靜力問題。ANSYS軟件的模態(tài)分析功能,將模型網(wǎng)格化,細(xì)分成多個(gè)有限元元素,分析結(jié)構(gòu)部件的固有頻率成分及其模態(tài)振型,為確定管路系統(tǒng)是否存在機(jī)械共振提供理論依據(jù)。在具體選用模態(tài)方式時(shí),常見的MODAL有幾種分析類型:(1)Subspace法。它適用于大型對(duì)稱特征值的求解問題,可以用幾個(gè)求解控制選項(xiàng)來控制子空間迭代過程。(2)BlockLanczos法。它適用于大型對(duì)稱特征值求解問題。(3)PowerDynamics法。適用于非常大的模型(100000個(gè)自由度以上)。(4)ReducedHouseholder法。它比Subspace快,但此法的精度較低。(5)Unsymmetric法。用于系統(tǒng)矩陣為非對(duì)稱矩陣的問題。(6)Damped法。用于阻尼不可忽略的問題。根據(jù)以上分析,可見BlockLanczos法比較切合實(shí)際。3案例分析3.1不同材料實(shí)體開接的問題某6缸發(fā)動(dòng)機(jī),根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)目標(biāo)是:一階自振頻率大于或等于6階的發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率。此發(fā)動(dòng)機(jī)的高怠速為2500r/min,于是其6階的發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率是6×2500/60=250Hz,假設(shè)油管在底盤部位用硬管與車身連接,而在前艙與發(fā)動(dòng)機(jī)連接處為了抗振,用尼龍軟管;軟硬管連接處用插接。設(shè)硬管密度為7800kg/m3。軟管密度為1.2kg/m3,在整套管路的兩端完全固定,求它的安全性。分析:遇到此種問題可以用ANSYS中的MPC法,它是專門針對(duì)不同材料綁定連接分析的。MPC即多點(diǎn)約束方程(MultipointConstraint),利用它可以不需要連接處的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)就能將不連續(xù)、自由度不協(xié)調(diào)的單元連接起來。使用MPC功能連接三維實(shí)體單元與殼單元是通過定義需要連接的實(shí)體部分與殼部分為接觸關(guān)系,設(shè)置接觸單元的接觸算法為MPCalgorithm,并且定義接觸面行為為綁定來實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算思路:先設(shè)立4種單元類型,實(shí)體“StructuralSolid”、虛體“StructuralShell”、連接“Contact3Dtarget170”和連接“Contactpt-to-surf175”,在軟硬管插接的公共部分,用虛體“StructuralShell”,在虛體的兩端,分別設(shè)置不同密度的兩種材料的實(shí)體,并定義為“StructuralSolid”,只要通過生成附加的虛擬殼單元,連接實(shí)體相交處的面與虛體相交處的線,保證實(shí)體與虛體在運(yùn)動(dòng)過程中的相切連續(xù),就能實(shí)現(xiàn)軟硬管的插接。ANSYS中設(shè)置參數(shù)如表1。設(shè)置模態(tài)分析為6階,設(shè)置油管兩端6個(gè)自由度固定。分析過程如圖4。結(jié)果見表2。從結(jié)果看,前4階的自振頻率均低于設(shè)計(jì)極限250Hz,它有可能在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)被發(fā)動(dòng)機(jī)著火頻率激勵(lì)起來,該套管路的走向需要調(diào)整或另外加固定支撐。從實(shí)際裝車的情況來看,在該管路中間部位加入管夾后即消除了此隱患。3.2節(jié)點(diǎn)自由度耦合其他一切條件同案例1,只是用快速接頭實(shí)現(xiàn)軟硬管的連接。分析:快速接頭與軟管是完全膠合的,而鋼管的一頭做好擴(kuò)口插進(jìn)快速接頭后仍然可以轉(zhuǎn)動(dòng),所以在ANSYS中可以簡化為軟管與硬管之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)只有同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。可以巧用ANSYS中的耦合自由度方法來解決它。耦合自由度是強(qiáng)制兩個(gè)或多個(gè)自由度取得相同而未知的值,作用是建立不同節(jié)點(diǎn)的自由度之間的關(guān)系。一般是設(shè)定單個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的耦合。在此案例可以設(shè)定兩根管子耦合處的4個(gè)外表面上的所有節(jié)點(diǎn)(因?yàn)橛袩o數(shù)個(gè),所以做的時(shí)候可先選某個(gè)面,再選擇依附于面上的所有節(jié)點(diǎn))的UX、UY、UZ方向上的自由度的耦合,既能實(shí)現(xiàn)耦合處兩管子同步移動(dòng),又能實(shí)現(xiàn)軟管與硬管之間的同軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),最后在整套管路兩端的6個(gè)自由度完全固定,即可仿真出它的失效模態(tài)。計(jì)算思路:只需設(shè)立一種單元類型,實(shí)體“StructuralSolid”,但是在兩段管子上設(shè)定不同的管子密度,然后SELECTENTITY中選中兩根管子耦合處的4個(gè)外表面,繼而選中依附于4個(gè)外表面上的所有節(jié)點(diǎn),3次使用preprocessor/couplingceqn/coupledofs命令以設(shè)定3個(gè)耦合集,分別設(shè)定UX、UY、UZ的自由度。分析過程如圖5,可以清晰地看到耦合處的共同平移和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)果見表3。從結(jié)果看,各階的自振頻率均不低于設(shè)計(jì)極限250Hz,這套管路是比較安全的,從實(shí)際的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)情況來看,也都較為安全。3.3anasas大的后處理及結(jié)果分析其他條件同以上兩個(gè)案例,在已經(jīng)設(shè)定好管路走向的基礎(chǔ)上,加上幾個(gè)管夾與車身固定,分析這幾個(gè)管夾是否可以牢固支撐,見圖6。局部放大如圖7。分析:從實(shí)際角度來說,要計(jì)算管路與車身的固定支撐———管夾是否牢靠,這涉及到材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度測(cè)試、耐化學(xué)品腐蝕試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、各種天氣條件的路試等多項(xiàng)試驗(yàn)。如果像前兩例做ANSYS的模態(tài)分析,可以將固定支撐處設(shè)定為6個(gè)自由度固定,可以很快算出它的幾階振動(dòng)頻率。但是現(xiàn)在要知道的是管夾是否能承受如此的振動(dòng)力。此時(shí),就要用ANSYS強(qiáng)大的后處理分析。先用反向思維考慮,如果在管路某處沒有管夾,那么它一定是晃動(dòng)狀態(tài),在做模態(tài)分析結(jié)束后,在后處理系統(tǒng)中可以看到它在此處的應(yīng)力分析,結(jié)合后處理中的動(dòng)畫顯示可以確定此處的運(yùn)動(dòng)方向,用某處的應(yīng)力去乘以管夾與管路的接觸面積就能得到此處管夾的受力大小和方向,在幾種模態(tài)分析中找到所受力的最大值,那么設(shè)計(jì)的管夾的拔脫力至少要大于此最大值才能保證管路的安全性。結(jié)果和實(shí)際值比較:用管夾實(shí)物在電子測(cè)拉力計(jì)上測(cè)出拔脫力,然后可將理論值與實(shí)際值比較(見圖8)。計(jì)算思路:先按照案例1中的方法完成,結(jié)果如表4。第一次求解結(jié)束后,用ExpansionPass打開后處理擴(kuò)大分析,首先查看后處理中的第1階頻率對(duì)應(yīng)的最大位移分析,見圖9。第1階頻率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分析,如圖10。第2階頻率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分析,如圖12。第3階頻率對(duì)應(yīng)的最大位移分析,見圖13。對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分析,如圖14。同樣可以算出第4、5、6階的位移分析圖和應(yīng)力分析圖。結(jié)合6個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),最終得出:在幾個(gè)管夾安裝處的最大應(yīng)力為P=7.17×107Pa,因?yàn)楣苈放c管夾的接觸面積是A=3.9×10-6m2,而實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)量值為180N,因此管夾存在風(fēng)險(xiǎn),不足以支撐管路并抵抗風(fēng)險(xiǎn),實(shí)際結(jié)果證明:在裝車后或在各項(xiàng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中管子有從管夾中自動(dòng)脫出的傾向,這時(shí)就要補(bǔ)救,或者更換拔脫力更大的管夾,或者在應(yīng)力大的地方增添管夾的數(shù)量以多于原先的拔脫力,比如,如果原先使用3個(gè),3×280/180=4.67,所以增加2個(gè),達(dá)到5個(gè)最終在實(shí)車的各項(xiàng)試驗(yàn)中就消除了這種隱患。這種分析在采用鋼管類應(yīng)力比較大,形狀偏差難以改變的管路時(shí)尤為重要,最好再乘上安全系數(shù)