某發(fā)動機(jī)EGR閥座的拓?fù)鋬?yōu)化及有限元分析

張應(yīng)兵，孫影

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230000)

0 引言

發(fā)動機(jī)產(chǎn)品越來越多地應(yīng)用EGR(Exhaust Gas Recirculation,廢氣再循環(huán))技術(shù)，通過EGR閥的控制可將排出的廢氣導(dǎo)入進(jìn)氣歧管，進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸重新參與燃燒，可以減少進(jìn)氣沖程的泵氣損失來降低油耗；運(yùn)用EGR閥可以降低發(fā)動機(jī)在啟動工況、怠速和低負(fù)荷工況時(shí)由于節(jié)氣門開度較小引起的節(jié)流損失；大負(fù)荷、高速及油門全開時(shí)，EGR閥能夠降低排氣溫度。

為了滿足公司節(jié)油指標(biāo)的需要，提升公司乘用車產(chǎn)品的競爭力，某公司擬在某款發(fā)動機(jī)產(chǎn)品上應(yīng)用EGR技術(shù)，EGR閥通過閥座與缸體聯(lián)接，因此需設(shè)計(jì)EGR閥的安裝閥座。根據(jù)該發(fā)動機(jī)原布置方案，設(shè)計(jì)工程師給出了閥座最大設(shè)計(jì)空間的初始模型，如圖1所示。

圖1 EGR閥座三維模型

文中將通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行減材料優(yōu)化，給出閥座的最佳結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量化，并對此結(jié)構(gòu)的NVH(Noise Vibration Harshness)性能和強(qiáng)度進(jìn)行分析、驗(yàn)證。

1 拓?fù)鋬?yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化按照設(shè)計(jì)變量的不同分為3個(gè)層次：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化[1]。其中，拓?fù)鋬?yōu)化是以改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能或減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo)的一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[2]，它在減輕質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)模態(tài)和強(qiáng)度研發(fā)中的作用日益重要。拓?fù)鋬?yōu)化是基于拓?fù)鋽?shù)學(xué)方法識別幾何體的冗余空間結(jié)構(gòu)，生成更加合理的優(yōu)化形狀及材料分布。

1.1 計(jì)算描述

對設(shè)計(jì)工程師提供的EGR閥座實(shí)體模型進(jìn)行切割，識別出可設(shè)計(jì)區(qū)域(淺灰色)和不可設(shè)計(jì)區(qū)域(深灰色)，如圖2所示。將可設(shè)計(jì)區(qū)域和不可設(shè)計(jì)區(qū)域作為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別保存在不同的Component中，并保證二者接觸面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，最終通過共節(jié)點(diǎn)將二者的體網(wǎng)格模型聯(lián)接起來。

有限元模型劃分好之后，創(chuàng)建用于拓?fù)鋬?yōu)化分析的設(shè)計(jì)變量、響應(yīng)，并定義約束、目標(biāo)函數(shù)。在此優(yōu)化計(jì)算中將可設(shè)計(jì)區(qū)域的單元密度定義為設(shè)計(jì)變量，約束可設(shè)計(jì)部分體積上限為原體積的40%，優(yōu)化目標(biāo)是使第一階固有頻率最大化，另外還需要定義一個(gè)求解模態(tài)頻率的載荷步，以便在定義頻率響應(yīng)時(shí)調(diào)用。以上參數(shù)設(shè)置完畢后，在HyperMesh中，調(diào)用OptiStruct求解器進(jìn)行求解以確定優(yōu)化的材料分布，求解之后使用HyperView進(jìn)行后處理、查看結(jié)果。

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖3所示為EGR閥座的單元密度云圖，云圖中灰色區(qū)域單元的密度趨于1.0，表示該單元位置處的材料很重要，需要保留；云圖中黑色區(qū)域單元的密度趨于0.0，表示該單元處的材料不重要，可以去除，從而達(dá)到材料的高效率利用，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)輕量化，可以對圖中橢圓1、2標(biāo)記處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒圓角處理。

圖4所示為EGR閥座的第一階模態(tài)振型圖，其振型主要表現(xiàn)為繞著Y軸的往復(fù)擺動。為提高其結(jié)構(gòu)剛度，可以采取在圖4中橢圓1標(biāo)記的結(jié)構(gòu)處進(jìn)行加筋處理，達(dá)到抑制其一階模態(tài)振型的目的。

圖3 EGR閥座單元密度云圖

圖4 EGR閥座第一階模態(tài)振型

2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)工程師對EGR閥座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，去除不重要的材料并在薄弱處添加加強(qiáng)筋，最終優(yōu)化后的EGR閥座的結(jié)構(gòu)如圖5所示。為驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化的效果，對EGR閥座進(jìn)行模態(tài)分析和強(qiáng)度分析。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化后的EGR閥座結(jié)構(gòu)

2.1 計(jì)算描述

為更加真實(shí)地模擬閥座的約束及受力，在對閥座進(jìn)行模態(tài)和強(qiáng)度及疲勞分析時(shí)，按照閥座與零部件的實(shí)際裝配、連接關(guān)系進(jìn)行建模，主要包括EGR閥座、進(jìn)氣歧管、缸體、缸蓋、EGR、波紋管、螺栓、導(dǎo)流管及其墊片等，將所有零部件的STP格式三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置好材料屬性以及各零部件間的接觸或綁定關(guān)系。

EGR閥座材料鑄鋁的屈服極限為180 MPa。

螺栓規(guī)格為M8，打緊扭矩為20～25 N·m，相應(yīng)的最大螺栓預(yù)緊力為19 800 N，最小螺栓預(yù)緊力為12 400 N。

2.2 邊界條件和載荷

(1)模態(tài)分析

部件連接及約束如圖6所示。

圖6 模型部件連接及邊界約束

(2)強(qiáng)度及疲勞分析

約束：同模態(tài)分析；

載荷：加載最大螺栓預(yù)緊力，6個(gè)方向12g的重力加速度；

分析步：共8個(gè)分析步，分別為螺栓預(yù)緊力加載、螺栓長度固定、±X方向12g加速度、±Y方向12g加速度和±Z方向12g加速度。

(3)接觸滑移分析

約束類型和分析步驟同強(qiáng)度分析，加載最小螺栓預(yù)緊力，6個(gè)方向12g的重力加速度。

2.3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖7所示為EGR閥座固有頻率表?？芍篍GR閥座一階模態(tài)頻率為250.02 Hz，滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)240～280 Hz的下限值，模態(tài)頻率偏低，但可接受。

圖7 EGR閥座固有頻率表

圖8—圖11為EGR閥座的第1階和第2階模態(tài)振型。

第1階模態(tài)振型是EGR閥座繞X軸上下擺動；第2階模態(tài)振型是EGR閥座繞Z軸左右擺動。

圖8 第1階模態(tài)位移

圖9 第1階模態(tài)應(yīng)變能密度

圖10 第2階模態(tài)位移

圖11 第2階模態(tài)應(yīng)變能密度

2.4 強(qiáng)度和高周疲勞結(jié)果

(1)EGR閥座Mises應(yīng)力分析結(jié)果

圖12—圖17為支架在最大螺栓預(yù)緊力與12g加速度作用下的應(yīng)力云圖。

圖12 X正方向12g加速度下的Mises應(yīng)力分布

圖13 X負(fù)方向12g加速度下的Mises應(yīng)力分布

圖14 Y正方向12g加速度下的Mises應(yīng)力分布

圖15 Y負(fù)方向12g加速度下的Mises應(yīng)力分布

圖16 Z正方向12g加速度下的Mises應(yīng)力分布

圖17 Z負(fù)方向12g加速度下的Mises應(yīng)力分布

從圖12—圖17中可知：除了螺栓加載位置的應(yīng)力奇異現(xiàn)象不予考慮外，其他位置應(yīng)力都小于材料的屈服極限180 MPa，應(yīng)力滿足強(qiáng)度指標(biāo)。

(2)EGR閥座疲勞分析結(jié)果

圖18是EGR閥座安全系數(shù)，除去螺栓加載位置外，最小安全系數(shù)為2.62，大于標(biāo)準(zhǔn)值1.1，滿足要求。最小安全系數(shù)位置為圖18中橢圓標(biāo)記處。

圖18 疲勞安全系數(shù)

3 結(jié)論

(1)通過對EGR閥座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到其材料密度分布云圖，識別出可進(jìn)行材料削減的區(qū)域以及需要加強(qiáng)的薄弱結(jié)構(gòu)；

(2)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果對閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并按照其實(shí)際連接和受力關(guān)系進(jìn)行模態(tài)和有限元分析，驗(yàn)證方案的可行性；

(3)對優(yōu)化后的閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)和有限元分析，結(jié)果顯示：該閥座的模態(tài)、強(qiáng)度以及疲勞均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以

采用。

參考文獻(xiàn):

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