基于HYPERWORKS的汽车喇叭、支架系统振动疲劳分析

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1、Altair2012HyperWorks技术大会论文集基于HyperWorks的汽车喇叭、支架系统振动疲劳分析夏汤忠刘文华刘盼陆志成王萍萍神龙汽车有限公司技术中心武汉430056摘要：某车型喇叭支架系统在振动试验中发生疲劳断裂失效。针对试验结果分析，采用HyperWorks软件对现有的喇叭支架进行了模态和动应力、振动加速度计算分析，确定了仿真分析的边界条件、共振阻尼参数以及共振疲劳分析的方法，提出了结构改进方案，并且该方案通过了试验验证。结果表明，应用有限元仿真和试验相结合的方法可以有效地预测零件系统是否满足振动疲劳的性能要求。关

2、键词：HyperWorks；振动疲劳；共振；动应力；阻尼1引言汽车上许多零件结构在使用过程中会受到各种动态激励的作用,例如喇叭、储液灌、发动机、减速器及其支架等受到来自路面的位移或加速度激励产生振动，因此在设计时就要考虑到动强度校核,进行相应的振动疲劳耐久性能验证。振动疲劳是结构承受动态交变载荷（如振动、冲击、噪声载荷等）下，由于载荷的频率分布与结构固有频率分布相近或重叠，从而使结构产生过大振动所导致的疲劳破坏现象。这类问题涉及到结构动态响应，需要利用结构动力学技术加以研究。结构共振是在动态外载荷作用下，外力与结构惯性力、弹性力及

3、阻尼力的综合平衡现象，其特点是结构中产生了模态惯性力和阻尼力，其中阻尼力分布是决定结构共振响应大小的重要因素。本文以某车型喇叭、支架系统的振动试验的破坏状态为例，讨论了喇叭、支架系统有限元建模的边界条件和共振阻尼参数的确定和设置，并基于HyperWorks软件展开了计算分析和计算与试验结果的对比分析工作。1Altair2012HyperWorks技术大会论文集2喇叭、支架系统振动试验分析某车型喇叭、支架系统按照特定的振动耐久试验顺序进行耐久实验时，在实验过程中发生断裂失效，如图1所示。试验要求如表1所示，振动激励的正弦扫频范围是5

4、～200Hz，不同频段内激励的方式和载荷大小不同，并分别对XYZ三个方向进行振动试验，每个方向共有18个循环的试验。该失效试验先从Z向开始，实验到第14个循环时支架发生断裂，说明原设计方案的喇叭支架疲劳破坏属于低周疲劳问题。试验中测得喇叭、支架系统的共振点在22.6Hz。图1喇叭支架疲劳断裂情况表1振动试验要求频率周期合计试验项目激励轴各轴回数Hzmin回数试验时间h5～1510mm215～2544.1m/s振动耐久25～10019.6m/s2031854182100～22004.9m/s3振动疲劳寿命分析在进行结构振动疲劳寿命分

5、析时，必须了解结构系统本身的动应力状况，适用的材料疲劳S-N曲线，相应的累积损伤关系式和疲劳破坏准则。2Altair2012HyperWorks技术大会论文集3.1累积损伤关系对于振动疲劳，大多采用Miner线性累积损伤公式来计算累积损伤量。根据材料的S-N曲线，可以计算每个循环所引起的损伤：若加载时间t内由σσ,,,σ这样的l个不同应力水12l平构成，N为材料S-N曲线上查得的在σ应力水平下的疲劳寿命,n为σ应力水平下的循iiii环次数，则σ应力水平下的损伤值及总损伤值分别为:iniD=（1）iNilniD=∑（2）i=1Ni

6、Miner假定D=1时试件将发生疲劳破坏。经验说明这一准则过于保守，特别是对随机振动情况。故有的文献建议D值可以取得稍大一些，例如，对正弦振动D值可取1～1.5，当然D值的实际取法最好根据工程使用经验的分析和试验研究给出。3.2喇叭支架疲劳应力标准的确定根据试验要求可以计算出该试验的整个时间段内，每个频段内频率的循环次数n，如表i62所示。通过计算得出5～200Hz内所有频率的循环次数总和大于10次，共振频率段的循5环次数小于10。因此判定喇叭支架的振动疲劳试验属于高周疲劳要求。为了避免喇叭支架低周疲劳破坏，采用Neuber理论来

7、确定应力标准。本文中喇叭支架材料的屈服强度200MPa，其共振频率的应力标准根据Neuber应力计算公式（3）确定为370MPa。非共振区域的应力标准通过准静态应力计算分析获得。1R2e0.2S=⋅⋅3GR+0.002e0.23G（3）式中，G是剪切模量。根据公式（4）可以估算材料S-N曲线上对应于表2中各应力标准的疲劳寿命Ni，然后根据公式（1）计算得到每一频段内的疲劳损伤值Di和总损伤值D，如表2中所示，可见该应力标准满足疲劳寿命要求。1Sb6N=×10（4）Se式中，S是交变应力值；Se是

8、材料的疲劳极限；b是Basquin斜率。3Altair2012HyperWorks技术大会论文集表2疲劳应力标准与损伤值频率/Hz应力标准/MPa循环次数/niNi损伤值/Di5～151153306165525100.001815～25（非共振）1