內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置的數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析

姚召華 張少元 史秋萍

摘 要：介紹了內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置設(shè)計(jì)概述，詳細(xì)敘述了安裝于某新型內(nèi)燃機(jī)車上冷卻裝置的設(shè)計(jì)與分析過程。設(shè)計(jì)過程基于CREO2.0環(huán)境下的TOP-DOWN設(shè)計(jì)理念，有利于進(jìn)行全局控制，提高了設(shè)計(jì)中信息傳遞的準(zhǔn)確性，通過不斷完善的骨架模型自頂向下建立了整個(gè)冷卻裝置的數(shù)字化三維模型。在冷卻裝置的結(jié)構(gòu)模型確定后，通過ANSYS workbench 14.0軟件對(duì)冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多種工況下的強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了該新型冷卻裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車;冷卻裝置;TOP-DOWN;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度分析

1. 內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置設(shè)計(jì)概述

內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置是散熱器、冷卻風(fēng)扇等冷卻部件的模塊化集成載體，主要為機(jī)車柴油機(jī)的冷卻水提供通風(fēng)冷卻，是內(nèi)燃機(jī)車重要的組成部分。冷卻裝置設(shè)計(jì)的合理性和可靠性將直接影響機(jī)車的使用性能。我國內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)車總體布置及柴油機(jī)冷卻要求，主要有V型或H型吸風(fēng)式冷卻裝置以及頂置排風(fēng)式冷卻裝置[1]。

本文設(shè)計(jì)的冷卻裝置，采用內(nèi)走廊機(jī)車傳統(tǒng)的兩側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)，保證機(jī)車走廊處行走空間符合人機(jī)工程，同時(shí)滿足防雨性要求[2]。為滿足機(jī)車總體牽引電機(jī)集中通風(fēng)要求，冷卻裝置采用大塊頂置式雙流道銅散熱器和外轉(zhuǎn)子風(fēng)扇電機(jī)組組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)型式能夠最大限度的節(jié)約機(jī)車內(nèi)部高度空間以便于集中通風(fēng)風(fēng)機(jī)的安裝。散熱器和冷卻風(fēng)扇的具體性能參數(shù)匹配，需根據(jù)柴油機(jī)的熱負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的冷卻計(jì)算而得，風(fēng)扇和散熱器之間的間距則根據(jù)排風(fēng)式冷卻裝置的一般要求而定。因而冷卻裝置的安裝布局形式如圖1所示，采用兩臺(tái)直徑均為1600mm、功率75kW的冷卻風(fēng)扇;在風(fēng)扇上方呈八字形布置兩大塊雙流道銅散熱器，整個(gè)冷卻裝置通過模塊化安裝于機(jī)車車體側(cè)壁上[3]。此外，為滿足機(jī)車軸重設(shè)計(jì)要求，冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)采用輕量化設(shè)計(jì)并通過有限元計(jì)算驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖1? 某型內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置的安裝布局形式

1-機(jī)車限界;2-大塊散熱器;3-走廊地板;4-冷卻風(fēng)扇電機(jī)組;5-冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu);6-門;7-通風(fēng)機(jī);8-機(jī)車側(cè)壁;9-機(jī)車車架;

2. 冷卻裝置的自頂向下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 TOP-DOWN設(shè)計(jì)概述

傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)一般指通過對(duì)單個(gè)零部件的設(shè)計(jì)建模，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)組件甚至整個(gè)產(chǎn)品的裝配建模，是一種BOTTOM-UP自底向上的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法零部件之間的裝配關(guān)系沒有完整的描述，產(chǎn)品的全局性控制較差，且各零部件相對(duì)獨(dú)立，設(shè)計(jì)意圖傳達(dá)不暢，一旦出錯(cuò)設(shè)計(jì)變更工作量較大。

TOP-DOWN自頂向下設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高層向所有受影響的底層子系統(tǒng)傳遞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵信息的一種方法;同時(shí)也是在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中對(duì)相關(guān)性及變更傳遞的一種控制管理工具。采用TOP-DOWN設(shè)計(jì)可以完全控制和分發(fā)設(shè)計(jì)意圖，防止不正確的參考關(guān)系建立，從而便于更好的管理和組織設(shè)計(jì)意圖。此外，TOP-DOWN設(shè)計(jì)能夠更容易精確地測試設(shè)計(jì)變型，設(shè)計(jì)靈活性較強(qiáng);能夠確保公用設(shè)計(jì)和信息的一致性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)變更的快速傳播，節(jié)約變更的時(shí)間、資金和資源。

TOP-DOWN設(shè)計(jì)工具主要包括布局、骨架模型、發(fā)布和復(fù)制幾何等。根據(jù)設(shè)計(jì)需要運(yùn)用相應(yīng)工具，通過給定的設(shè)計(jì)約束條件和設(shè)計(jì)參數(shù)等信息，便可自頂向下的并行開展機(jī)車?yán)鋮s裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

a） 自底向上設(shè)計(jì)方法

b） 自頂向下設(shè)計(jì)方法

圖2? 兩種不同設(shè)計(jì)方法

2.2內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置的TOP-DOWN結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的冷卻裝置主要包括散熱器、冷卻風(fēng)扇電機(jī)組以及冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)等，其總體布局見圖1所示。根據(jù)冷卻裝置的布局結(jié)構(gòu)，建立其骨架模型是冷卻裝置TOP-DOWN設(shè)計(jì)的核心。骨架模型的作用是通過點(diǎn)、線、面等信息把設(shè)計(jì)方案在三維中表達(dá)清楚，傳遞設(shè)計(jì)信息。當(dāng)骨架發(fā)生變化時(shí)，與之相關(guān)聯(lián)的實(shí)體模型也將發(fā)生變化，從而控制外部引用的自動(dòng)快速更新。

在進(jìn)行冷卻裝置的骨架模型建立時(shí)，首先需從機(jī)車總體發(fā)布的設(shè)計(jì)條件中復(fù)制冷卻裝置設(shè)計(jì)所需要的輸入條件，包括機(jī)車車體輪廓、冷卻裝置定位坐標(biāo)等;然后逐步建立冷卻裝置內(nèi)部各主要結(jié)構(gòu)的骨架模型;最后采用發(fā)布幾何的方式把相關(guān)信息發(fā)布至其下級(jí)設(shè)計(jì)或其它并行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中去，如：將冷卻裝置骨架的下部結(jié)構(gòu)采用發(fā)布幾何工具傳遞至其下級(jí)風(fēng)扇支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將散熱器進(jìn)出水接口發(fā)布至與其并行設(shè)計(jì)的冷卻水系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)中。同時(shí)對(duì)于冷卻裝置下級(jí)結(jié)構(gòu)或者其它并行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在復(fù)制冷卻裝置發(fā)布的幾何信息后，仍需逐級(jí)完善其骨架模型，直至將結(jié)構(gòu)信息傳遞至可以直接建模的零件。此外，對(duì)于外購部件，一般直接將其定位坐標(biāo)在骨架中給出，冷卻裝置組裝時(shí)將外購部件以模塊化型式直接安裝。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)冷卻裝置結(jié)構(gòu)的全局控制，其詳細(xì)骨架模型如圖3所示。

圖3 冷卻裝置骨架模型

整個(gè)冷卻裝置的設(shè)計(jì)是圍繞骨架設(shè)計(jì)進(jìn)行的，總骨架的搭建不可能一步到位，在分系統(tǒng)下級(jí)部件設(shè)計(jì)中隨時(shí)需要對(duì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更管理，通過復(fù)制（發(fā)布）幾何來交換信息，不斷完善總骨架模型。由此，通過TOP-DOWN設(shè)計(jì)方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要選用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料，對(duì)各零部件進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終完成基于CREO2.0軟件環(huán)境下的冷卻裝置數(shù)字化三維模型，如圖4所示。

圖4 冷卻裝置數(shù)字化三維模型

3. 基于ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)分析

為了驗(yàn)證冷卻裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性，在完成冷卻裝置的數(shù)字化三維模型建立后，進(jìn)行了基于ANSYS Workbench軟件環(huán)境下的冷卻裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

將CREO2.0軟件建立的數(shù)字化三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，通過集成在CREO中的ANSYS接口工具輸入到ANSYS 14.0 中。將散熱器和風(fēng)扇電機(jī)組重量載荷通過幾何質(zhì)心點(diǎn)的方式加載至冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)上，如圖5所示。對(duì)冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽取中面、定義接觸等模型處理，并選用殼單元對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)絡(luò)劃分，共劃分了167175 個(gè)單元，358423 個(gè)節(jié)點(diǎn)。坐標(biāo)系選用全局坐標(biāo)系，X、Y、Z 分別為縱向、垂向、橫向[4]。

圖5 冷卻裝置有限元簡化模型

其次，對(duì)該有限元模型進(jìn)行材料屬性的定義，鋼結(jié)構(gòu)材料選用Q345，其機(jī)械性能見表1。

表1 材料屬性

序號(hào)

屬性

值

1

密度 [kg/mm3]

7.85e-6

2

彈性模量[MPa]

2.1e+5

3

泊松比

0.3

4

屈服強(qiáng)度[MPa]

345

在對(duì)冷卻裝置進(jìn)行分析時(shí)，主要將其分為起吊工況和沖擊載荷工況，各工況載荷及邊界條件見表2。

表2 冷卻裝置工況載荷及邊界條件

序號(hào)

工況

慣性及重量載荷

風(fēng)扇扭矩載荷N·m

邊界條件

分析類型

驗(yàn)證準(zhǔn)則

1

起吊

FZ =g

無

兩側(cè)起吊位置位移約束

線性靜態(tài)

許用應(yīng)力

2

縱向沖擊

FX =4g

M=1752

兩側(cè)安裝座螺栓孔位移約束

3

橫向沖擊

FZ =2g

M=1752

兩側(cè)安裝座螺栓孔位移約束

4

垂向沖擊

FZ =2g

M=1752

兩側(cè)安裝座螺栓孔位移約束

通過ANSYS Workbench有限元計(jì)算可得各工況下，冷卻裝置結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

a）起吊工況

b）縱向沖擊載荷工況

c）橫向沖擊載荷工況

d）垂向沖擊載荷工況

圖6 冷卻裝置各工況應(yīng)力分布云圖

各工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 冷卻裝置各工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

序號(hào)

工況

最大應(yīng)力值（MPa）

最大應(yīng)力位置

許用應(yīng)力（MPa）

1

起吊

100.44

在中部斜撐底部

345

2

沖擊載荷-縱向

336.7

在中間立板與管道連接處

345

3

沖擊載荷-橫向

72.125

在底部斜撐圓孔附近

345

4

沖擊載荷-垂向

287.95MPa

在安裝座螺栓孔附近

345

由計(jì)算結(jié)果可知，該冷卻裝置在起吊工況、橫向載荷工況、垂向載荷工況下均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中所描述的要求。而縱向載荷工況下應(yīng)力較大，接近材料許用應(yīng)力，因而需做相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)。經(jīng)過分析，將中間立板的厚度由7mm 改為10mm，其最大應(yīng)力值為296.22MPa，出現(xiàn)在底部斜撐邊緣，如圖7所示，滿足設(shè)計(jì)要求。此外，通過ANSYS Workbench軟件也可以方便的查看各工況下結(jié)構(gòu)的變形情況，經(jīng)確認(rèn)也能均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后縱向載荷工況應(yīng)力分布云圖

4. 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的某新型內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置，采用了全數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，通過計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)與仿真分析軟件的有效結(jié)合，完成了的冷卻裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。設(shè)計(jì)中采用TOP-DOWN設(shè)計(jì)方法，保證了冷卻裝置設(shè)計(jì)過程中能夠?qū)ζ鋬?nèi)外部接口和設(shè)計(jì)變更的傳遞進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的全局性控制。本文通過ANSYS Workbench軟件分析了冷卻裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效措施進(jìn)行改進(jìn)，保證了冷卻裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性。

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