汽车尿素箱支架结构轻量化设计

钟宏松，沈保山，王康，史荣旭，肖一帆

(无锡职业技术学院汽车与交通学院， 江苏无锡 214000)

0 引言

汽车尿素，即柴油机尾气处理液，能够吸收氮氧化合物的除污液体，其中包含了67.5%的去离子水和32.5%的高纯尿素，存储在尿素箱内[1]。

尿素箱多为通过支架外挂在车身上，在重型汽车运行过程中，工况恶劣，从而导致尿素箱支架失效，故障率高。很多研究工作致力于解决尿素箱支架承重问题、优化尿素箱支架结构。如鲍晓东等[2]总结了一套适用于重型车辆支架疲劳验证的台架试验规范；李亮等人[3]阐述了结构频率响应和振动疲劳寿命的基本原理；文新海等[4]阐述了结构随机振动疲劳寿命的基本原理及基于激励跑谱的振动疲劳寿命分析的方法和流程。本文作者基于有限元分析手段，对尿素箱支架进行有限元强度分析，根据计算结果中关键部位的应力分布，对支架结构进行优化以实现部件轻量化目标,继而实现汽车轻量化，提高汽车的动力性和降低燃油油耗[5]。

1 有限元原理

有限元是解决机械类复杂工程问题的一种数值分析工具，有着复杂而庞大的理论体系[6]。基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。其本质是求出每一个单元表示的复杂未知量的近似解，然后推理出域的满足条件，进而求得问题的解。在有限元中，常以节点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他看法，建立节点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以节点位移为未知量的代数方程，从而求解节点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似值最终将收敛于精确解。

有限元分析的目的：针对具有任意复杂几何形状变形体，完整获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息，即求取该变形体的三类力学信息(位移、应变、应力)[7]。

随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，汽车的设计制造已离不开有限元分析计算。

2 有限元分析

2.1 分析过程

2.1.1 建立有限元模型

有限元模型包括车架纵梁、尿素箱支架、槽形支撑梁、卡扣、尿素箱等,如图1所示。其中纵梁、斜支架和卡扣采用壳单元表示；螺栓采用RBE2+beam单元进行模拟；尿素泵质量利用rb2+mass模拟；纵梁和槽形支撑接触面、槽形支撑和斜支架接触面均采用Contact接触连接，摩擦因数为0.15，焊接处采用节点耦合来模拟。除纵梁和横梁外，其余支架材料为Q235，弹性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，屈服强度235 MPa。

2.1.2 工况定义

根据实车装配要求，截取车架纵梁一部分， 并对车架截断处进行全约束，同时施加重力载荷，具体载荷见表1。

表1 工况定义

2.2 计算结果

利用ABAQUS软件对尿素箱支架进行非线性强度计算，得出在垂直冲击、制动、转向3个工况下的应力云图，如图2—图4所示，最大应力和位移结果见表2。

表2 计算结果

图2 垂直冲击工况应力云图

图3 制动工况应力云图

图4 转向工况应力云图

由以上结果可得，该支架在三工况下的应力均小于Q235材料的屈服强度(235 MPa)，满足强度要求。

3 结构优化

3.1 结构重构

由应力分布云图可以看出，该支架虽然最大应力与材料屈服强度比较接近，但大部分区域的应力都比较低，存在减重优化空间。在此思路下，对该支架进行结构优化设计，优化后结构如图5所示。

图5 优化后装配图

3.2 有限元分析及其结果

为考察优化后支架的强度性能，对其进行新一轮的有限元分析，模型处理及工况定义均与上文相同，其计算结果见表3，应力云图如图6—图8所示。

表3 优化后强度分析结果

图6 优化后垂直冲击工况应力云图

图7 优化后制动工况应力云图

图8 优化后转向工况应力云图

由以上结果可得，该支架在垂直冲击和制动工况下的最大应力均小于优化前结构的最大应力。虽然转向工况的最大应力较优化前有所提升，但其最大应力仅为76 MPa。其在三工况下的应力均小于Q235材料的屈服强度(235 MPa)，满足强度要求。

4 结论

利用有限元法对某尿素箱支架进行了三工况非线性强度计算，获得了该部件的应力分布，并根据其应力分布特点对支架进行了结构轻量化设计及有限元验证计算，在理论计算和可靠性试验均能满足强度要求的情况下，该支架由9.45 kg减至5.59 kg，降重35.6%，降重效果较为明显。