景晶

(國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海)，上海 201805)

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發(fā)動機支架的疲勞試驗及可靠性分析

景晶

(國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海)，上海 201805)

由于汽車產(chǎn)品設(shè)計愈加復雜，同時開發(fā)時間越來越短，因此在汽車產(chǎn)品設(shè)計中可靠性更加突出。以發(fā)動機支架的疲勞試驗為例，簡單介紹機械可靠性試驗。通過符合實車狀態(tài)的臺架試驗，結(jié)合有限元分析對試驗數(shù)據(jù)進行可靠性分析，為產(chǎn)品的優(yōu)化改進提供依據(jù)。

可靠性；疲勞試驗；有限元分析；威布爾分布

0　引言

如今，當說到一個產(chǎn)品的功能時，可靠性這個詞是經(jīng)常被提到的?？煽啃允侵府a(chǎn)品在一定的工作環(huán)境下、在一定的時間內(nèi)不出現(xiàn)失效的概率。概率只能用數(shù)字來表達，這樣可靠性就涉及了產(chǎn)品的失效行為，也是評價產(chǎn)品的重要指標。

目前，在汽車零部件的可靠性分析中，主要以工程試驗為主，其目的在于暴露產(chǎn)品在設(shè)計和生產(chǎn)過程中的缺陷，及時采取糾正措施加以排除。對于企業(yè)來說，可靠性分析實施得越早，利潤成效就越顯著?？煽啃栽囼灴梢苑譃殡娮涌煽啃栽囼灪蜋C械可靠性試驗。相對于比較成熟的電子可靠性試驗，機械可靠性試驗還存在一些難點：首先，很難獲得較大容量的樣本，并且費資、費力，試驗周期長；其次，影響機械失效的原因很多，不僅與應力因素有關(guān)，還取決于環(huán)境因素；最后，機械可靠性理論難度大，機械產(chǎn)品的零部件大多是耗損性失效為主。

文中借助發(fā)動機支架的疲勞試驗，對機械可靠性試驗做了簡單的介紹。通過臺架試驗，結(jié)合有限元分析對試驗數(shù)據(jù)進行可靠性分析。

1　發(fā)動機支架疲勞試驗的方案設(shè)計

發(fā)動機支架的作用：(1)固定發(fā)動機；(2)減少發(fā)動機的震動傳遞到車架上。它對加工精度的要求很高，這樣才能保證發(fā)動機的正常運行，從而提高汽車的綜合性能。

為了真實反映車輛行駛時，發(fā)動機支架的受力狀況，參考發(fā)動機支架的實車裝配情況，通過計算機模擬可以得到發(fā)動機支架Z向的受力及邊界約束示意圖，如圖1所示。

在支架與發(fā)動機連接的螺栓位置施加±5 000N的載荷，正弦波形，頻率10Hz，方向沿Z軸。約束方法是將發(fā)動機支架通過螺栓固定在剛性的平板上，安裝扭矩為60N·m，保持與實車狀態(tài)一致。為了研究需要，該疲勞試驗將持續(xù)至樣件出現(xiàn)可見的裂紋為止(判定樣件失效的依據(jù))。

2　有限元分析

有限元分析實質(zhì)上是把具有無限自由度的連續(xù)系統(tǒng)，近似等效為只有有限自由度的離散系統(tǒng)，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的數(shù)學問題。文中選用了UGNX軟件對發(fā)動機支架進行有限元分析。

2.1模型的建立

第1步，利用Modeling模塊建立發(fā)動機支架的三維模型；第2步，對三維模型進行網(wǎng)格劃分，類型是十節(jié)點四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為4.0mm，總節(jié)點數(shù)為59 678，總單元數(shù)為36 682；第3步，設(shè)定材料參數(shù)，文中發(fā)動機支架的材料為鋁合金，其材料參數(shù)設(shè)定如下：密度為2.66×103kg/m3，彈性模量為7.2×104MPa，泊松比為0.33，材料類型為各向同性；第4步，施加載荷與約束，在支架與發(fā)動機連接的螺栓位置施加載荷，載荷大小為±5 000N，方向沿Z軸；在支架與車身連接的螺栓位置施加約束，使其在各個方向的位移均為0，見圖2。

2.2計算求解

經(jīng)過仿真計算，發(fā)動機支架的應力云圖見圖3，從中能獲取應力、應變數(shù)據(jù)，并直觀地發(fā)現(xiàn)零件上高應力的集中區(qū)域。

在局部放大的云圖(圖4)中，可以清晰地看出該支架的高應力區(qū)集中分布在與車身連接的螺栓孔附近，最大的VonMises應力值為228.9MPa，最大應變?yōu)?.819×10-3。

通過以上的計算和分析，可以基本掌握該發(fā)動機支架受力時的結(jié)構(gòu)強度，確定了疲勞試驗中最可能出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。

3　疲勞試驗可靠性分析

3.1疲勞壽命數(shù)據(jù)

研究人員每隔1h，對疲勞試驗中的發(fā)動機支架進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)裂紋，即終止試驗并記錄下出現(xiàn)裂紋時的循環(huán)次數(shù)，結(jié)果見表1。

裂紋照片見圖5，可以看到裂紋位置與有限元分析的結(jié)果基本一致。

3.2試驗數(shù)據(jù)的威布爾分布

威布爾分布是在機械領(lǐng)域中應用最廣泛的壽命分布，它也是可靠性分析的理論基礎(chǔ)。

此研究中，首先要驗證發(fā)動機支架疲勞壽命數(shù)據(jù)是否服從含有未知參數(shù)的威布爾分布，采用Van-Montfort提出的統(tǒng)計量：

(1)

其次，假設(shè)發(fā)動機支架疲勞壽命數(shù)據(jù)服從威布爾分布，即：

(2)

式中：b是形狀參數(shù)；T是特征壽命。對于子樣容量為n，其中包含r(r≤n)個壽命數(shù)據(jù)x1≤x2…≤xr的樣本，可以采用極大似然法估計威布爾分布中的參數(shù)：

(3)

按照式(1)和式(3)計算，可得到發(fā)動機支架疲勞壽命數(shù)據(jù)對應的中位秩，見表2。

表2　發(fā)動機支架疲勞壽命數(shù)據(jù)對應的中位秩

表3中，假設(shè)α=0.10，可以推斷發(fā)動機支架的疲勞壽命服從威布爾分布，并得到相應形狀參數(shù)b和特征壽命T。發(fā)動機支架疲勞壽命的威布爾分布曲線見圖6。

表3　發(fā)動機支架疲勞壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

壽命標準差σ為：

4　結(jié)論

涉及機械零部件失效行為的文獻資料并不是很多，但是理解零件的失效行為對做出在相似條件下的可靠性預測是必要的。

結(jié)合臺架試驗數(shù)據(jù)及有限元分析的結(jié)果(其優(yōu)點在于縮短了疲勞試驗周期，提高了研究效率)，通過計算威布爾分布，對發(fā)動機支架的可靠性進行了分析，從而闡述了可靠性試驗在汽車零部件試驗中的應用。通過有限元分析，可以找出應力集中點，確定樣件在疲勞試驗過程中的失效區(qū)域；通過臺架試驗，可以得到疲勞壽命數(shù)據(jù)；依據(jù)疲勞壽命數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析(威布爾分布或者其他分布的計算)，可以預測樣件的壽命或可靠性，這就為產(chǎn)品的優(yōu)化改進提供了判斷依據(jù)。

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FatigueTestandReliabilityAnalysisforEngineBracket

JINGJing

(NationalCenterofSupervision&InspectiononMotorVehicleProductsQuality(Shanghai),Shanghai201805,China)

Sincethedesignofautoproductsismoreandmorecomplicated,whiledevelopmentperiodbecomeshorter,reliabilitywillbemoreoutstandinginthedesignofautoproducts.Takingthefatiguetestofanenginebracketasanexample,themechanicalreliabilitytestwasbrieflyintroduced.Throughbenchtestinlinewithrealvehiclestate,withFEA,reliabilityanalysistothetestdatawasmade.Itprovidesbasisfortheoptimizationoftheproduct.

Reliability;Fatiguetest;FEA;Weibulldistribution

2015-03-24

景晶(1983—)，男，工程師,主要研究方向為汽車底盤零部件耐久試驗。E-mail:jingj@smvic.com.cn。