動力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度有限元仿真優(yōu)化及應(yīng)用

王慧玲

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動力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度有限元仿真優(yōu)化及應(yīng)用

王慧玲

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

動力總成實體結(jié)構(gòu)件優(yōu)化是設(shè)計開發(fā)評估中的難點問題。借助計算機輔助工具，結(jié)合某動力總成開發(fā)項目，詳細研究本體零件結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生的影響因素，模擬真實系統(tǒng)開發(fā)認(rèn)證工況及受載狀態(tài)，并對疲勞危險區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。模型考慮了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)近似瞬態(tài)溫度場、變缸壓、螺栓衰減等影響因素，并運用子模型驅(qū)動方法，通過Tosca實現(xiàn)ABAQUS和疲勞軟件聯(lián)合仿真，進行快速局部形狀優(yōu)化，大大提高了項目開發(fā)評估效率。該方法推廣運用到其他零件上，成功通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，解決某變速箱齒轂開裂失效問題，試驗驗證效果良好。

低周疲勞；計算機輔助；仿真；子模型；Tosca；優(yōu)化

1 前言

動力總成中發(fā)動機作為核心動力系統(tǒng)，其性能、安全、可靠度要通過臺架冷熱沖擊（GETC）認(rèn)證。零件強度不僅與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與系統(tǒng)的工況、連接、支撐等因素緊密相關(guān)?？疾炝慵姸燃皟?yōu)化必須要著眼于實際狀態(tài)，難點在于一方面發(fā)動機使用狀態(tài)變化復(fù)雜，內(nèi)部流體及氣體燃燒實際狀態(tài)難以捕捉模擬，另一方面模型龐大，影響因素眾多。

實際臺架運行過程為引擎在高速和全油門的工況下連續(xù)運行數(shù)百小時，它是一個基本由加速工況構(gòu)成的試驗，并不是為了完全復(fù)制實際的客戶車輛使用情況，旨在模擬產(chǎn)生在整車有效使用生命周期中的近似損傷狀況[1,3,4]。最大的熱沖擊發(fā)生在引擎從熄火或浸車至環(huán)境溫度（例如通宵駐車后）升溫到正常全油門全負荷運行的加熱過程中，最大冷沖擊發(fā)生在熄火倒拖、冰水冷卻、節(jié)氣門全開的過程中，同時，冷卻液、機油和排氣道也都經(jīng)受了相當(dāng)程度的冷熱沖擊，結(jié)構(gòu)強度疲勞可近似為低周疲勞問題，計算機模擬復(fù)雜程度較大，目前國內(nèi)尚未見到相關(guān)資料文獻。

發(fā)動機水套圓角為設(shè)計薄弱位置，容易引起應(yīng)力集中，是設(shè)計關(guān)注的重點。本文通過對GETC瞬態(tài)過程模擬，得到整機一體化結(jié)構(gòu)應(yīng)變結(jié)果，運用 coffin-manson低周疲勞理論模型，評估結(jié)構(gòu)機械損傷及安全情況。對于局部安全系數(shù)較低區(qū)域，運用子模型驅(qū)動方法快速計算局部應(yīng)變場，再通過Tosca聯(lián)合ABAQUS[2]及疲勞計算軟件，快速優(yōu)化結(jié)構(gòu)局部圓角壽命，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計，此方法也在動力總成其他零件中得到運用，改善設(shè)計解決問題，效果良好。

2 低周疲勞理論及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2.1 低周疲勞理論

在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程稱為疲勞。對于低周疲勞，循環(huán)次數(shù)小于10000次，循環(huán)應(yīng)力大于屈服。目前，基于應(yīng)變-壽命(ε-N)關(guān)系來計算低周疲勞的方法目前已被廣泛接受，其性能獲取來源于應(yīng)變幅控制下的疲勞測試試驗。壽命-應(yīng)變關(guān)系式通常表示為Coffin-Manson 方程，表達式如下：

對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系方程如下，在有限元計算材料參數(shù)中輸入，通常稱為Romberg-Osgood方程[9]：

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化從類型上看，主要有尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化[5~6]及形貌優(yōu)化[7]、拓撲優(yōu)化[8]，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

3 有限元模型與分析方法

本文建立了缸體缸蓋一體化模型，定載荷主要有過盈配合量，變載荷主要包括螺栓力、缸壓、溫度，計算得到應(yīng)變幅用于疲勞計算。結(jié)構(gòu)計算的模型有限元模型如圖1所示，包括缸蓋、缸體、螺栓、座圈、缸墊、缸套、軸瓦瓦蓋等。

材料參數(shù)參考FEMFAT材料庫，如表1所示，主要的材料有缸蓋AC4B、缸體Alsi9cu3，泊松比0.32，彈性模量77312MPa。彈塑性模型輸入，硬化選用combined 類型，背應(yīng)力介于等方和隨動硬化之間。為獲取更加可靠的計算結(jié)果，至少計算3個循環(huán)以確保獲取塑性安定結(jié)果。

圖1 缸體缸蓋一體化計算模型

表1 常溫材料參數(shù)

低周疲勞是在Femfat heat 模塊輸入計算，有限元結(jié)果信息包括應(yīng)力、應(yīng)變、溫度場時間歷程，即S、LE、NT，結(jié)果將輸入到疲勞軟件中計算壽命，具體流程見下圖2：

圖2 低周疲勞計算流程

3.1 溫度載荷

溫度冷熱沖擊是造成零件強度問題的主要因素，根據(jù)轉(zhuǎn)速、扭矩、油溫、水套水溫、流量等輸入信息作為邊界，計算得到瞬態(tài)溫度場。在疲勞結(jié)構(gòu)計算中，直接瞬態(tài)加載計算時間長，代價太大，獲取若干溫度變化較大的時刻點的溫度，施加多個分析步靜力加載，可近似模擬出溫度變化歷程，計算量減少且效率提高。如圖3所示，本例點取30個時刻點加載，中間過程線性插值，近似的瞬態(tài)溫度歷程如帶點的block bore Max. Temperature 曲線所示。缸壓加載轉(zhuǎn)折點與轉(zhuǎn)速變化點一致，圖中 所示，加載順序為點火1、2、3缸順序。

圖3 載荷加載邊界

3.2 疲勞計算

疲勞計算基于Femfat Heat模塊，輸入最后一個穩(wěn)定的循環(huán)。由于缺乏材料的氧化及蠕變材料屬性，疲勞結(jié)果忽略氧化及蠕變損傷，壽命計算的是結(jié)構(gòu)零件的機械損傷[10]。

圖4 疲勞計算分析步輸入

3.3 子模型驅(qū)動及優(yōu)化

缸體缸蓋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，優(yōu)化空間的定義約束眾多，優(yōu)化計算難度較大。但對于局部圓角優(yōu)化，結(jié)構(gòu)變化不大，可以通過表面節(jié)點位置調(diào)整實現(xiàn)，即常說的形狀優(yōu)化。一般整機模型大小接近500M，現(xiàn)有資源下計算周期約1周，若驅(qū)動局部小模型，大小在50M以下，耗時可控制在1小時以內(nèi)，可行性較高。缸體缸蓋的水套圓角是強度薄弱環(huán)節(jié)，局部常有安全系數(shù)不滿足要求，改善圓角強度如果通過更改數(shù)模，再通過整機一體化評估的話，時間長、效率低，子模型驅(qū)動的方法可以極大地減少ABAQUS計算時間，提高計算效率。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度是利用Tosca軟件在子模型上完成的，具體流程如下：

圖5 子模型驅(qū)動優(yōu)化流程

4 結(jié)果與分析

4.1 有限元及疲勞分析結(jié)果

缸體缸蓋的溫度場是作為后續(xù)應(yīng)力計算的載荷之一，需反復(fù)對比和修正其精度，確保邊界輸入準(zhǔn)確性。除溫度載荷之外，還考慮了缸壓變化、螺栓力衰減等，溫度場及應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 有限元計算結(jié)果

低周疲勞結(jié)果需在疲勞軟件中，輸入材料E-N特性曲線評估安全系數(shù)。缸蓋水套安全壽命如下圖7所示，根據(jù)要求，節(jié)點1419364點的壽命是6044次，有開裂風(fēng)險，此處需要進行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低風(fēng)險。

圖7 缸蓋節(jié)點壽命云圖

4.2 局部圓角安全系數(shù)優(yōu)化

局部優(yōu)化適合用子模型驅(qū)動來提高計算效率，首先局部模型的結(jié)果應(yīng)力要與全局模型基本一致，其次對比壽命結(jié)果也要一致，才可用子模型代替全局模型。在方法研究時計算的結(jié)果如下圖8所示，關(guān)注區(qū)域的Mises應(yīng)力差異在10Mpa以內(nèi)，對應(yīng)的疲勞結(jié)果也基本一致，某點處冪指數(shù)大小由6.866變化到6.76。此方法用于缸體缸蓋低周疲勞優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)圓角有小幅變化，優(yōu)化后壽命滿足8600循環(huán)要求，同時可直接輸出優(yōu)化后的幾何模型，快速用于設(shè)計參考，提高工程運用效率和價值。

圖8 子模型與全局模型壽命冪指數(shù)對比

5 問題解決應(yīng)用案例

根據(jù)上述分析方法，針對某變速箱齒轂開裂問題，首先合理分析了系統(tǒng)使用工況，通過計算機有限元仿真再現(xiàn)出倒擋工況是造成零件開裂的主要原因，如下圖9所示，小滑槽開裂位置最大主應(yīng)力應(yīng)力a點780.8MPa，大滑槽應(yīng)力b點為624.9MPa，超過材料強度極限580MPa，造成零件開裂。

圖9 缸蓋節(jié)點壽命云圖

為改善大滑槽應(yīng)力受力狀態(tài)，運用子模型驅(qū)動辦法，優(yōu)化圓角結(jié)構(gòu)形狀。優(yōu)化目標(biāo)是最大拉應(yīng)力小于強度極限，優(yōu)化空間為調(diào)整圓角周圍節(jié)點位置，如圖10所示，原始紅色輪廓調(diào)整到綠色優(yōu)化輪廓，指導(dǎo)最終結(jié)構(gòu)數(shù)模的確定。再通過仿真驗證，大滑槽圓角最大主應(yīng)力應(yīng)力降到572MPa，低于強度極限580MPa，滿足強度要求，最終零件通過臺架和整車的試驗驗證。

6 總結(jié)

1）運用計算機輔助設(shè)計軟件Tosca 實現(xiàn)ABAQUS 和FEMFAT 聯(lián)合仿真，從系統(tǒng)角度解決發(fā)動機開發(fā)中的結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化問題，首次運用子模型驅(qū)動的方法，提高系統(tǒng)復(fù)雜工況及大模型的計算效率。

2）通過分析系統(tǒng)工況，優(yōu)化圓角形狀，改善變速箱大滑槽圓角應(yīng)力狀態(tài)，提高強度強度，在臺架和整車中試驗驗證效果良好。

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Optimization and application with Computer Aided simulation for Engine

Wang Huiling

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 201201 )

The optimization of solid components for engine is one of complex problems in system design and evaluation. Based on an engine development project with computer-aided simulation, some detail factors had been studied focuses on fatigue, the authenticated working condition and loading state of the real system are calculated, and the fatigue risk area is optimized rapidly. Considering the approximate transient temperature field, variable cylinder pressure and bolt pretension force unloading during vibration, after using the sub-model driving method and Co-simulation with ABAQUS and Tosca , and the local shape optimization was carried out, which was greatly improved the efficiency of evaluation. This method was successfully used in transmission gearbox hub cracking issue solving and the optimization component was passed the test validation.

Low cycle fatigue; Computer-Aided; simulation; sub-model; Tosca; optimization

U467

B

1671-7988(2019)07-105-04

王慧玲（1982-），女，碩士，工程師，從事動力驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度、傳熱仿真分析。

U467

B

1671-7988(2019)07-105-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.035