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發(fā)動機前安裝支架是安裝在發(fā)動機前端的重要零件，具有承擔把發(fā)動機總成安裝在懸置上的功能。如果使用過程中發(fā)動機前安裝支架發(fā)生斷裂或者失效等情況，將會對發(fā)動機產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此在設(shè)計發(fā)動機前安裝支架時，一個重要的設(shè)計要求就是保證其結(jié)構(gòu)的強度。某新車型由于機艙布置的需要，將發(fā)動機位置進行了移動，并重新設(shè)計了發(fā)動機前支架。利用有限元分析方法，對發(fā)動機前支架進行了強度分析，并對初始設(shè)計方案進行了結(jié)構(gòu)改進，最后通過樣車的道路耐久試驗，驗證了改進結(jié)構(gòu)的有效性與可靠性。
發(fā)動機前支架初始設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖所示，前支架通過3個懸置安裝孔與懸置連接，通過1個發(fā)動機缸蓋左安裝孔和2個右安裝孔連接到發(fā)動機上。前支架采用6mm厚的SAPH440鋼板，經(jīng)沖壓成型后焊接形成，并且表面進行電泳處理。使用剛性元和梁單元模擬螺栓，基本單元尺寸為2mm的10節(jié)點4面體單元對支架進行模擬。利用線彈性材料本構(gòu)模型模擬前支架鋼材，其中材料的彈性模量為2.1Xe5MPa，泊松比為0.3。使用剛性元連接前支架和加載點，在前支架與橡膠懸置連接中點加載。圖示出建立的前支架有限元模型，其中節(jié)點數(shù)為273509，單元數(shù)為1656800與以往車型相比，該新車型的機艙布置使得前支架承受更多的垂向載荷，因此文章重點對前支架的垂向承載強度進行分析。
首先在加載點施加垂直向下(z向)的載荷，載荷大小為1000N。然后根據(jù)線彈性理論，利用計算得到前支架可以承受的極限載荷(Fmax)。計算得到的Fma、應(yīng)該大于測試或計算得到的前支架上實際承受的最大載荷。此處利用多體動力學仿真技術(shù)，使用MSC.ADAMS軟件計算得到前支架使用中承受的最大載荷。建立的動力總成一懸置系統(tǒng)的多體仿真模型，如圖所示，模型由動力總成和懸置組成。動力總成的慣量特性參數(shù)由三線擺測得，懸置參數(shù)包括懸置剛度、阻尼和懸置安裝角度等，其中懸置剛度參數(shù)應(yīng)考慮橡膠懸置的位移非線性。
在仿真計算中，對動力總成-懸置系統(tǒng)進行了28種工況分析，包括前后部分油門以及全油門工況、8km/h前后碰撞工況、垂直上下跳極限載荷工況、縱向和橫向極限載荷工況以及一些復合工況。利用有限元求解器OptiStruct9.0，對圖中的有限元模型進行計算，得到發(fā)動機前支架的應(yīng)力分布云圖，如圖所示。從圖可以看到，前支架最大應(yīng)力為291.9MPa，位于連接懸置的螺栓孔，支架與發(fā)動機連接側(cè)板的圓角處應(yīng)力也較大，為218.1MPa。前支架材料的抗拉強度為410MPa，由式可得，F(xiàn)max=1405N，小于上述28種工況多體仿真計算得到的多個載荷，表明前支架初始設(shè)計結(jié)構(gòu)存在強度問題，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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