路小金，张博峰，何文军，邓龙军，李晗，王东斌

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



基于HyperWorks空气滤清器支架的结构优化及改进设计

路小金，张博峰，何文军，邓龙军，李晗，王东斌

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

摘 要：文章针对某6×4牵引车空气滤清器支架断裂原因进行分析。排除支架材料及焊接加工导致失效问题，最终确定该支架的断裂原因主要是由于结构设计不合理导致断裂。在原结构基础上，确保安装边界不变，运用catia三维建模和HyperWorks软件分别完成三种方案的三维建模和静强度分析。通过分析结果比对，改进方案相比原方案，安全系数提高了67%。最后经过7000km的道路可靠性试验，改进后的空气滤清器支架满足使用要求。

关键词：空气滤清器支架；Hyperworks；断裂；试验验证

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.014

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-39-03

引言

在某6×4牵引车可靠性道路试验进行到3204km 时，空气滤清器支架发生断裂失效。该车型空气滤清器支架主要由连接板、钢管、垫板、角支架、加强筋等零件组成，安装方式如图1所示。通过失效模式分析，得出该问题主要由于结构设计不合理所导致。

由于道路试验周期长、成本高，有限元分析逐渐成为整车零部件设计前期的关键技术。为此，本文运用HyperWorks、CATIA软件在原结构基础上进行结构优化及改进设计，满足了车辆的使用要求，快速关闭了失效的试验问题。

1、失效原因分析

失效支架如图2所示，断裂位置在支架下安装孔附近，从宏观断口可知，断口纹理清晰，为局疲劳失效，且断口上有多个疲劳源，再通过化学成分分析及金相组织检验分析，结果符合标准。

图1

通过对支架设计结构的分析，该支架下排安装孔处受力应力集中，结构设计不合理，后续重点将对支架的结构进行优化设计，以解决该支架的失效问题。

图2

2、改进方案及静强度分析

结构优化原则是在原支架结构基础上进行结构改进，支架安装螺栓数量、材料及安装尺寸保持不变，且保持与周边件合理间隙。后续的设计方案依此为设计基准。

2.1 空气滤清器支架材料属性

空气滤清器支架各组成零件的材料有材料力学性能见表1。

表1 材料力学性能

2.2 空气滤清器支架使用工况及载荷

根据该车型的使用工况，在车辆转弯、制动和冲击三种典型工况下对空气滤清器支架的改进前方案、改进后的3 种方案进行分析，表2为作用在支架各工况下的载荷，表中所列各载荷大小均为模拟计算值，后续还需可靠性试验的进一步验证。

表2 空气滤清器支架工况及载荷值

2.3 载荷约束条件

空气滤清器支架各部分零件用PRAR连接模拟焊接工艺。该支架共添加4处安装孔用于固定约束，添加刚性单元REB3来定义载荷作用位置，REB3 单元位于空气滤清器质量中心处，如图3所示。

图3

2.4 优化方案的确定

方案1，在原方案基础上将加强筋的尺寸加大一倍，改善安装孔处应力集中的问题。

该方案改进后支架重量增加0.2kg，利用Hyperworks 软件对空气滤清器支架进行网格划分。对各零件抽取中心面处理，这里采用四边形单元划分网格，尺寸为5mm（以下方案也是此进行网格划分）。有限元模型节点数6179，面单元数6166。

利用Hyperworks软件的Radioss进行有限元静强度分析，经分析转弯、制动、冲击三种工况，其中在冲击工况时支架的应力最大，原方案最大为250.1Mpa，安全系数为0.98，方案1 的最大应力值为183.5Mpa，安全系数1.34，方案1 相比原方案有所改善。

如图4、5分别为原方案和方案1的三维模型和分析结果。

图4 原方案转弯、制动、冲击工况的应力云图

图5 方案1转弯、制动、冲击工况的应力云图

方案2，在进行方案设计时，在断裂部位应力较大处增加加强结构，改善断裂部位应力分布。在钢管端面中间位置增加与之方向垂直的加强筋。

该方案改进后单个支架重量约增加0.2kg。利用Hyper works软件对空气滤清器支架进行网格划分，划后有限元模型节点数6124，实体单元数6102。

利用Hyperworks软件的Radioss进行有限元静强度分析，经分析转弯、制动、加速三种工况，其中在冲击工况时支架的应力最大，该方案的最大应力值为268.4Mpa，安全系数仅为0.91，相比原方案，并未有所改善。

如图6所示为方案2 的三维模型和分析结果。

图6 方案2转弯、制动、冲击工况的应力云图

方案3，是在方案1的基础上进行优化设计，将原加强筋尺寸增大一倍。同时，在钢管另一侧增加一道结构类似的加强筋，使连接板受力更为均匀，避免支架应力集中，降低最大应力。

该方案改进后单个支架重量增加0.4kg，同时利用Hyperworks软件对导向臂支架进行网格划分，划分后有限元模型节点数6534，实体单元数6514。

利用Hyperworks 软件的Radioss进行有限元静强度分析，经分析转弯、制动、加速三种工况，其中在转弯工况时导向臂支架的应力最大，该方案的最大应力值为149.6Mpa，安全系数为1.64，相比原方案应力明显降低。

如图7所示为方案3的三维模型和分析结果。

各方案应力对比见表3。

表3 原方案与改进方案的对比分析结果

由以上的分析结果可以看出，方案2最大应力大于原方案，方案2 不可取；方案1 相比原方案，最大应力和安全系数略有提高，但是连接板仍存在应力集中的问题；方案3与原方案相比，连接板受力明显改善，最大应力降低至149.6Mpa。

因此选择方案3为空气滤清器支架的最终改进方案。

3、试验验证

按照方案3 的改进方案，更换原车故障件并进行了第二次7000km道路可靠性试验。经过试验验证，改进后的空气滤清器支架未发生裂纹、断裂等故障，与疲劳分析结果一致，完全满足产品改进的要求。图8为支架三维装配验证和道路试验装车情况。

图8

4、结论

本文对空气滤清器支架断裂原因进行了分析，排除支架的材料及工艺加工问题，最终确定支架的断裂原因主要是由于结构设计不合理导致断裂。在原结构的基础上，保持原安装边界及结构基本不变的原则，运用CATIA、HyperWorks软件，分别完成三种方案的三维建模和静强度分析，通过分析结果比对，方案3相比原方案，安全系数提高了67%。

最后经过7000km 的道路可靠性试验，改进后的空气滤清器支架（方案3）满足设计使用要求。

目前采用该支架的车型已批量体现，市场反馈效果良好，经济效益显著。

参考文献

[1] 张胜兰,郑东黎,郝琪,李楚琳.基于HyperWorks 的结构优化设计技术[M].机械工业出版社,2007.

[2] 李楚琳.HyperWorks分析应用实例.机械工业出版社,2008.

[3] 杨银辉,上官望义.基于HyperWorks 导向臂支架的结构优化及改进设计[J].汽车实用技术,2014(10)76～78.

Structure optimization and improvement design ofaircleaner bracket based on Hyperworks

Lu Xiaojin, Zhang Bofeng, He Wenjun, Deng Longjun, Li Han, Wang Dongbin
（Shaaxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Abstract:The fracture reasons of a 6×4 tractor's air cleaner bracket were analyzed in this paper.Disregardingthematerials and manufacture processing defects, the fracture of bracket is mainly due to unreasonable design .Basis on the original structure and guarantee the installation boundary unchanged, 3D modeling and static strength analysis of the three schemes were completed using CATIA and HyperWorks software. Comparing the originalscheme, the safety factor increased by 67%.According to the7000km road reliability test, the improvements were proved meet the design requirements finally.

Keywords:Aircleaner bracket; Hyperworks; Fracture; Test verificatio

作者简介：路小金，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。

中图分类号：U472.4

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-39-03