摘要：针对某重型商用车油箱转换阀支架断裂问题，从模态和应力应变角度进行综合分析，通过模态仿真和试验获得了支架的振动频率为28.6Hz 和63.9Hz 及其各频率下的振型，应力应变仿真和试验证实了支架在28.6Hz 频率处其Y 向与Z 向均出现峰值，且其应力应变值大于材料屈服强度。由此可知，支架在28.6Hz 处的频率与车辆怠速频率共振导致断裂。随后对支架结构和尺寸进行优化，使支架避开共振区而解决了该问题。
关键词：支架断裂；模态分析；应力应变试验；结构优化中图分类号：U476.3
文献标识码：A
文章编号：1671-3699（2021）03-0042-04
DOI ：10.3969/j.issn.1671-3699.2021.03.008
1问题描述
某重型商用车主副油箱转换阀厚度为6mm ，圆角半径R 为10mm 的支架在进行等效加速台架试验过程中
突然断裂，因附件支架断裂的情况也经常发生在其他部件中，不少研究者对此类支架断裂的问题分别进行了研究。陈文芳[1]针对某轻型载货车转向油壶支架的断裂问题，进行了模态性能、频率响应、振动疲劳分析，并基于多学科多目标平台对其结构参数进行优化；熊伟等人[2]针对汽车发电机-压缩机支架断裂问题，进行了发动机台架振动测量和实验分析研究，利用频谱分析技术研究了其振动的发生、形成、传播和破坏机理；王磊等人[3]通过仿真和振动手段对驱动轴支架断裂问题进行研究，并对支架进行了改进；史季青[4]就商用车前保险杠支架断裂问题通过CAE 手段进行了优化；钟自锋[5]对发动机ECU 支架断裂问题采用频响和疲劳综合分析法，提出了解决方案。综上所述，目前对于支架断裂问题常用的分析方法是模态分析，但是在进行支架约束模态测试时，干扰模态较多且不易辨识，导致单一模态分析存在较大误差[6]。基于此，本文提出了将模态分析与应力应变分析相结合，从两个维度对现有问题进行综合分析。
2仿真模型建立
创建装配模型，如图1所示，借助Hyper-Mesh 前处理软件对支架进行四边形单元离散，采用PSHELL 单元定义其厚度值，定义支架的材料参数见表1，截取一段车架作为边界，并对边界进行全约束，如图2所示。将支架与转换阀接触面的几何中
心作为质心。求解器采用OptiStruct ，同时采用Hy⁃perView
进行后处理。
图1装配模型图2边界条件
表1材料参数
收稿日期：2020-09-01
作者简介：朱金婷（1990-），女，陕西咸阳人，重庆公共运输职业学院讲师、工程师，研究方向为汽车NVH 。
某重型商用车油箱转换阀支架断裂分析与改进
朱金婷1，卢安专2，党超3
（1.重庆公共运输职业学院，重庆402247；2.上汽红岩商用车有限公司，重庆402247；
3.杨凌职业技术学院，陕西咸阳712100）
材料名称510钢
密度/（g·mm -3）7.9×109
泊松比v 0.3
弹性模量E/GPa
2.1×105屈服强度/MPa 355
第3期3仿真计算结果
3.1模态计算结果
支架在工作过程中受到的任意随机激励最终均可以分解到X ，Y ，Z 三个方向上，因此对仿真模型在X ，Y ，Z 三个方向施加1g 的脉冲激励，提取支架
及转换阀系统的前4阶模态，计算结果如图3所
示。第一阶模态转换阀末端的振动量较大，其振型为系统的上下摆动，第二阶模态系统从末端到固定端的振动逐渐减小，表现出的振型为左右摆动，第三阶模态系统在固定位置的振动量较大，其振型为连接位置处的“呼吸”振型，第四阶模态的振型为系统的扭动振型。
第一阶模态第二阶模态
第三阶模态
第四阶模态
图3模态计算结果
同时，第一阶模态值为28.6Hz ，该模态接近于此款配置为八缸四冲程，怠速450rpm 发动机的怠速激励频率30Hz ，极易引起共振。其他阶模态频率分别为63.9Hz 、171.4Hz 、210.9Hz ，均能很好地避开共振频率范围，安全系数较高。
3.2应力计算
应用Vibration 分析方法，通过Dirlik 对计算进行修正，对支架采用如图4所示加速度功率谱密度曲线进行激励，该曲线在5～35Hz 频率范围内的功率谱密度PSD =0.018g 2/Hz ，加速度均方根值RMS =0.78g 的曲线，得到支架在X 、Y 、Z 三个方向的频响红岩汽车公司
曲线如图5
所示。
图4
激励谱
图5频响曲线
由计算结果可知，在频率为28.6Hz 时，支架Y 向和Z 向均出现应力峰值，这与模态测试结果中一阶模态的值吻合。由此可知，支架在28.6Hz 处产生了共振，此外支架在Z 向的应力值达337.4MPa ，与其材料的屈服强度355MPa 数值接近，存在断裂风险。
4试验验证
建立模态试验和应力应变试验，对仿真模型进行验证。对支架+阀构成的系统在刚性基座上通过
螺栓进行固定，固定方式和传感器的布置如图6所示。应力应变测试按照装配要求固定于车架上，应力测试应变片的布置如图7所示。
朱金婷等：某重型商用车油箱转换阀支架断裂分析与改进
金华职业技术学院学报2021年
图6
模态测试
图7应力应变测试
4.1模态试验结果
使用测试软件LMS Testlab ，设置带宽1～200
Hz ，应用锤击法在支架6号点的背面即+Z 方向进行激励，测试结果应用PolyMax 进行分析，得到支架在
1～100Hz 范围内的模态结果如表2所示。
表2模态测试结果
频率/Hz
30.47
57.88
振型描述
上下弯曲
左右摆动
振型
由计算结果可知，第一阶模态值30.47Hz 和第二阶模态值57.88Hz 与仿真结果的第一阶和第二阶的振型和频率大小基本吻合，故模态仿真模型具有实际的应用价值。同时由第一阶模态振型可知，支架产生失效的原因可能是由上下弯曲运动造成。
4.2应力应变结果
在应力应变台架测试中，输入信号因软件的兼
容性问题无法使用锤击法激励出宽频信号，因此选择测试软件中可激励出与模态测试相同频率范围的宽频信号。本次测试选择激励信号为IS18-3302-PSD 的纯随机信号，其带宽范围3～40Hz ，提
取其1～100Hz 频率范围内的应力频谱如图8
所示。
图8应力频谱
由图8可知，支架在30Hz 处存在一阶模态，与模态测试结果相同，且在该模态下，得到支架弯角两侧的最大主应力值分别为359.8MPa 和356.5MPa ，与仿真测试结果基本相同，验证了应力应变模型的实用性。由测试结果可知，支架的最大应力值
大于材料的屈服强度，故支架在30Hz 处会因共振引起支架断裂。
5支架优化
综上分析可知，支架的断裂由30Hz 的频率产生共振而引发，同时使用过程中支架的最大应力值逼近材料的屈服强度，支架出现断裂的风险极大。
根据模态理论要使支架的振动频率避开30Hz 的频率范围，可通过改变支架刚度和质量进行支架结构优化，根据第三强度理论，支架不产生断裂的前提条件是其使用过程中的最大应力值小于材料的屈
服强度。从结构件更改成本、效率和工艺方面考虑，采用增大支架厚度并适当增大支架折弯圆角的方法来解决支架断裂问题。将支架厚度增大1mm ，并将支架折弯圆角R 增大至20mm ，重新对更改后的支架进行模态测试和应力测试，分别得到原状态支架和优化后的支架模态参数和应力参数的变化如图9和图10所示。
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第3期由图可知，经过优化后的支架其第一阶模态为46.3Hz ，第二阶模态为72.1Hz ，均很好地避开30Hz 的共振区；同时对支架进行应力应变仿真发现，支架弯角两侧的最大主应力值分别为52.1MPa 和49.2MPa ，较支架原状态时支架两侧弯角处最大主应
力值359.8MPa 和356.3MPa 显著下降，同时优化后的支架顺利通过了72小时等效加速台架试验。
6结论
（1）针对主副油箱转换阀支架断裂问题通过建立仿真模型并对其进行模态分析发现，支架在30Hz 处容易产生共振，之后建立应力应变分析模型发现支架在30Hz 处的最大主应力值大于材料的屈服强度，极易产生断裂。
（2）采用与仿真模型相同的边界条件进行试验发现试验与仿真数据基本吻合。
（3）通过优化支架结构，并重新对其进行分析发现支架模态
能很好的避开共振区，同时最大主应力也显著下降。
参考文献：
[1]陈文芳.某轻型载货车转向液壶支架断裂分析及其优化[J].机械设计与研究，2019（3）：94-99.
[2]熊伟，邓兆祥，褚志刚，等.汽车发电机-压缩机支架断裂发生机理及控制措施[J].重庆大学学报：自然科学版，2003（2）：
107-109.[3]王磊，冯毕，巢杰，等.某车型驱动轴支架断裂问题分析及解决[J].汽车实用技术，2019（1）：77-81.[4]史季青，王淼，高军委，等.商用车前保险杠支架断裂分析与优化[J].汽车实用技术，2019（19）：45-46.[5]钟自锋，徐国权，聂鹏.发动机ECU 支架振动疲劳分析及其优化设计[J].机械设计与研究，2018（3）：100-102.[6]刘显臣.汽车NVH 性能开发[M].北京：机械工业出版社，
2017.
图9模态测试数据对比
图10应力应变测试数据对比
Fracture Analysis and Optimization on the Commercial Truck Fuel
Tank Transfer Valve Bracket
ZHU Jinting 1,LU Anzhuan 2,DANG Chao 3
（1.Chongqing Vocational College of Public Transportation,Chongqing 402247,China;2.SAIC-IVECO
HONGYAN Commercial Vehicle Co.,LTD,Chongqing 402247,China;3.Yangling Vocational &
Technical College,Xianyang 712100,China ）Abstract ：In view of the problem of bracket fracture for commercial truck fuel tank transfer,the paper proposes a comprehensive analysis method in terms of modality and stress-strain.The bracket vibration frequencies 28.6Hz and 63.9Hz,and mode shapes under each frequency were obtained by modal simulation and test.The Y and Z direction curve has a peak value in 28.6Hz by stress-strain simulation and test,and the stress-strain value is greater than material yield strength.Therefore,the 28.6Hz frequency resonates with truck idle frequency,causing bracket fracture.The problem is solved after making the bracket vibration frequency away from vehicle resonance region by optimizing bracket structure and dimension.
Key words:bracket fracture,modal analysis,stress-strain test,structure optimization
责任编辑：傅美贞
朱金婷等：某重型商用车油箱转换阀支架断裂分析与改进