发动机支架的疲劳试验及可靠性分析

景晶

(国家机动车产品质量监督检验中心(上海)，上海 201805)



发动机支架的疲劳试验及可靠性分析

景晶

(国家机动车产品质量监督检验中心(上海)，上海 201805)

由于汽车产品设计愈加复杂，同时开发时间越来越短，因此在汽车产品设计中可靠性更加突出。以发动机支架的疲劳试验为例，简单介绍机械可靠性试验。通过符合实车状态的台架试验，结合有限元分析对试验数据进行可靠性分析，为产品的优化改进提供依据。

可靠性；疲劳试验；有限元分析；威布尔分布

0　引言

如今，当说到一个产品的功能时，可靠性这个词是经常被提到的。可靠性是指产品在一定的工作环境下、在一定的时间内不出现失效的概率。概率只能用数字来表达，这样可靠性就涉及了产品的失效行为，也是评价产品的重要指标。

目前，在汽车零部件的可靠性分析中，主要以工程试验为主，其目的在于暴露产品在设计和生产过程中的缺陷，及时采取纠正措施加以排除。对于企业来说，可靠性分析实施得越早，利润成效就越显著。可靠性试验可以分为电子可靠性试验和机械可靠性试验。相对于比较成熟的电子可靠性试验，机械可靠性试验还存在一些难点：首先，很难获得较大容量的样本，并且费资、费力，试验周期长；其次，影响机械失效的原因很多，不仅与应力因素有关，还取决于环境因素；最后，机械可靠性理论难度大，机械产品的零部件大多是耗损性失效为主。

文中借助发动机支架的疲劳试验，对机械可靠性试验做了简单的介绍。通过台架试验，结合有限元分析对试验数据进行可靠性分析。

1　发动机支架疲劳试验的方案设计

发动机支架的作用：(1)固定发动机；(2)减少发动机的震动传递到车架上。它对加工精度的要求很高，这样才能保证发动机的正常运行，从而提高汽车的综合性能。

为了真实反映车辆行驶时，发动机支架的受力状况，参考发动机支架的实车装配情况，通过计算机模拟可以得到发动机支架Z向的受力及边界约束示意图，如图1所示。

在支架与发动机连接的螺栓位置施加±5 000N的载荷，正弦波形，频率10Hz，方向沿Z轴。约束方法是将发动机支架通过螺栓固定在刚性的平板上，安装扭矩为60N·m，保持与实车状态一致。为了研究需要，该疲劳试验将持续至样件出现可见的裂纹为止(判定样件失效的依据)。

2　有限元分析

有限元分析实质上是把具有无限自由度的连续系统，近似等效为只有有限自由度的离散系统，使问题转化为适合于数值求解的数学问题。文中选用了UGNX软件对发动机支架进行有限元分析。

2.1模型的建立

第1步，利用Modeling模块建立发动机支架的三维模型；第2步，对三维模型进行网格划分，类型是十节点四面体网格，网格单元大小为4.0mm，总节点数为59 678，总单元数为36 682；第3步，设定材料参数，文中发动机支架的材料为铝合金，其材料参数设定如下：密度为2.66×103kg/m3，弹性模量为7.2×104MPa，泊松比为0.33，材料类型为各向同性；第4步，施加载荷与约束，在支架与发动机连接的螺栓位置施加载荷，载荷大小为±5 000N，方向沿Z轴；在支架与车身连接的螺栓位置施加约束，使其在各个方向的位移均为0，见图2。

2.2计算求解

经过仿真计算，发动机支架的应力云图见图3，从中能获取应力、应变数据，并直观地发现零件上高应力的集中区域。

在局部放大的云图(图4)中，可以清晰地看出该支架的高应力区集中分布在与车身连接的螺栓孔附近，最大的VonMises应力值为228.9MPa，最大应变为2.819×10-3。

通过以上的计算和分析，可以基本掌握该发动机支架受力时的结构强度，确定了疲劳试验中最可能出现裂纹的区域。

3　疲劳试验可靠性分析

3.1疲劳寿命数据

研究人员每隔1h，对疲劳试验中的发动机支架进行检查，一旦发现出现裂纹，即终止试验并记录下出现裂纹时的循环次数，结果见表1。

裂纹照片见图5，可以看到裂纹位置与有限元分析的结果基本一致。

3.2试验数据的威布尔分布

威布尔分布是在机械领域中应用最广泛的寿命分布，它也是可靠性分析的理论基础。

此研究中，首先要验证发动机支架疲劳寿命数据是否服从含有未知参数的威布尔分布，采用Van-Montfort提出的统计量：

(1)

其次，假设发动机支架疲劳寿命数据服从威布尔分布，即：

(2)

式中：b是形状参数；T是特征寿命。对于子样容量为n，其中包含r(r≤n)个寿命数据x1≤x2…≤xr的样本，可以采用极大似然法估计威布尔分布中的参数：

(3)

按照式(1)和式(3)计算，可得到发动机支架疲劳寿命数据对应的中位秩，见表2。

表2　发动机支架疲劳寿命数据对应的中位秩

表3中，假设α=0.10，可以推断发动机支架的疲劳寿命服从威布尔分布，并得到相应形状参数b和特征寿命T。发动机支架疲劳寿命的威布尔分布曲线见图6。

表3　发动机支架疲劳寿命数据统计分析结果

寿命标准差σ为：

4　结论

涉及机械零部件失效行为的文献资料并不是很多，但是理解零件的失效行为对做出在相似条件下的可靠性预测是必要的。

结合台架试验数据及有限元分析的结果(其优点在于缩短了疲劳试验周期，提高了研究效率)，通过计算威布尔分布，对发动机支架的可靠性进行了分析，从而阐述了可靠性试验在汽车零部件试验中的应用。通过有限元分析，可以找出应力集中点，确定样件在疲劳试验过程中的失效区域；通过台架试验，可以得到疲劳寿命数据；依据疲劳寿命数据，通过统计分析(威布尔分布或者其他分布的计算)，可以预测样件的寿命或可靠性，这就为产品的优化改进提供了判断依据。

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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，工程师,主要研究方向为汽车底盘零部件耐久试验。E-mail:jingj@smvic.com.cn。