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基于非线性有限元法的摩托车消声器强度分析
来源:摩托车技术  作者:佚名  2018-05-27 07:03:28



    摘要:本文以非线性有限元分析理论为基础,根据减震胶套材杆力学实验所获得的数据,选取Mooney----Rivilin超弹性本构模型得出材料的基本力学参数,并通过整车台架振动测试获得摩托车消声器在发动机激励作用下的振动加速度,在此基础上,建立消声器非线性有限元仿真模型,模拟结构在发动机激励作用下的应力分布趋势,从而判断该结构满足强度使用要求,并通过试验验证了该方案的可行性。

    1 引言
    消声器是摩托车的重要组成部分,不仅起到消声作用,还直接影响到发动机的性能,其结构的可靠性是产品品质的标志之一。由于摩托车在实际使用中会受到来自路面的激励和发动机的振动载荷,在部件连接处容易出现断裂现象,尤其是消声器的安装支撑板,故对消声器结构设计(包括安装支撑板)以及焊接强度等有严格要求。但目前设计消声器主要根据设计师的工程经验兼顾消声器的安装点位置及空间设计而成,然后通过单品试验验证结构的可靠性。这种设计方法具有一定的主观性和盲口性,不能事先了解整个结构的应力分布趋势,预见结构的薄弱区域。在产品研发阶段使用有限元分析方法,模拟消声器在发动机激励作用下的振动强度情况,有助于设计工程师找到最佳的产品结构方案,从而缩短该零件的开发周期,减少试验次数,提高产品的竞争力。
    本文以某消声器作为研究对象,运用有限元技术对结构进行简化和网格离散,通过试验获得相关材料的力学特性参数以及发动机的振动载荷。在此基础上,采用非线性(包括材料非线性和边界非线性)有限元法模拟消声器在发动机激励载荷作用下的应力分布趋势,从而判定该结构是否满足用户的强度使用要求,并通过单品试验验证该方案的可行性。

    2 消声器有限元建模
    2.1建立有限元分析模型
    本文分析选用的消声器主体结构由排气消声器焊接组合、前悬挂支撑板、后悬挂支撑板组成,如图1所示。

    该结构与整车之间有3处安装固定位置:排气管前端通过连接块与发动机刚性连接;前悬挂支撑板通过螺栓与车架结构刚性连接;后悬挂支撑板通过螺栓、减震胶套、衬管与固定在车架上的右副脚蹬部件柔性连接。一般的消声器结构与整车之间仅有二处安装定位,即与发动机的刚性连接和后悬挂支撑板。该结构中后悬挂支撑板靠后,特增加了前悬挂支撑板。由于后悬挂支撑板采用柔性连接方式,那么前悬挂支撑板结构与共和筒体的焊接周围区域是整个消声器结构的强度薄弱区域。强度分析中后悬挂安装处结构的模拟准确性将直接影响到前悬挂支撑板分析的精度,故该处结构的有限元模型建立是整个强度分析的关键之一。
    本文主要考察筒体、悬挂支撑板以及与筒体焊接周围区域的强度特性,故在建模时对排气消声器焊接组合进行了简化,只保留了外部的筒体结构,并用壳单元进行结构离散;内部结构用与质心位置一致的质量点来代替,采用刚性连接单元Rb2与外壳筒体相连。根据结构的几何特征和分析需求,前悬挂支撑板也采用壳单元离散,后悬挂支撑板、减震胶套、衬管、螺栓采用四面体单元离散。由此建立的消声器强度有限元分析模型如图2所示。

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