基于有限元和虛擬樣機(jī)的增程器混合模型設(shè)計(jì)

吳 強(qiáng)

（武漢交通職業(yè)學(xué)院 汽車學(xué)院 湖北 武漢：430065）

在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的大環(huán)境下，各大汽車企業(yè)都在研發(fā)新能源汽車，增程式電動汽車就是一個重要研究方向。增程式電動汽車依靠增程器和動力電池組作為能量來源。因基于燃料電池型增程器在技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用方面有困難，目前仍是多使用發(fā)動機(jī)／發(fā)電機(jī)型增程器［1］。增程器含有發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大部件，發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)間通過飛輪、聯(lián)軸器等組成了多轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，因此增程器曲軸受力情況復(fù)雜，受多種力作用；同時，發(fā)動機(jī)只有在電池電量不足時才會啟動，通常不需要提供車輛所有的動力需求［2］，但其會頻繁地啟動與停止，較少在額定工況下運(yùn)行，故曲軸不能處于最佳工作狀況，增程器由此容易出現(xiàn)較多的故障，且故障不易被察覺，需對其進(jìn)行故障診斷。

目前常用的診斷方式是實(shí)物模擬故障，通過收集故障數(shù)據(jù)，配合信息處理技術(shù)來進(jìn)行診斷［3］。但若直接實(shí)物設(shè)置故障，再采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征提取，則會損壞增程器，更甚者對試驗(yàn)人員有危害，故此種方法有一定的局限性［4］。借助虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行多體動力學(xué)仿真，可節(jié)約成本、縮短實(shí)驗(yàn)時間和保證研究安全，可對機(jī)械系統(tǒng)可能出現(xiàn)的多種故障進(jìn)行模擬［5］。故利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立增程器剛?cè)峄旌陷S系系統(tǒng)，模擬實(shí)際增程器運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過故障模擬和數(shù)據(jù)處理便可獲得有意義的診斷特征。

本文對設(shè)計(jì)計(jì)算得到的增程器曲軸進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，確定其靜態(tài)和動態(tài)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，由此確定了合格的增程式電動汽車軸系系統(tǒng)；通過在虛擬樣機(jī)中導(dǎo)入有限元柔性體，建立了完整的增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)模型，由此便可進(jìn)行動力學(xué)仿真和提取故障診斷特征。

1 增程器軸系系統(tǒng)三維物理模型的建立

針對研究的24kW特定型號增程器，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)計(jì)計(jì)算得到了增程器各零部件的基本尺寸。利用三維CAD軟件CATIA建立了增程器各個部件三維實(shí)體模型，并將各個部件組裝成整個增程器軸系系統(tǒng)，其三維實(shí)體模型爆炸圖如圖1所示。

2 曲軸有限元強(qiáng)度分析

圖1 增程器軸系系統(tǒng)三維實(shí)體模型爆炸圖

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的增程器軸系系統(tǒng)模型是否滿足其靜態(tài)設(shè)計(jì)要求，將增程器運(yùn)動過程中受力最為激烈的曲軸進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠駶M足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

2．1 曲軸網(wǎng)格劃分

有限元分析對模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量有較高的要求時。網(wǎng)格太細(xì)會占用CPU較大的空間，延長仿真時間；網(wǎng)格太粗會使計(jì)算精度達(dá)不到要求［6］。在進(jìn)行曲軸的網(wǎng)格劃分時，先采用一般網(wǎng)格對整個幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，由此得到曲軸有限元網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 曲軸有限元網(wǎng)格模型

2．2 曲軸面載荷的加載

連桿對曲柄銷處的作用力Q0沒有施力在曲柄銷的中心或是整個表面。由傳統(tǒng)潤滑理論中有限寬度軸頸的油膜壓力分布規(guī)律可知，在忽略油孔處壓力峰值的突變影響下，曲軸的曲柄銷所受到的壓力可近似等效為：壓力以曲柄銷中心為原點(diǎn)，軸向呈二次拋物線分布，周向以曲柄銷軸頸的－60°至60°按余弦分布［7］，以曲柄銷中心O為原點(diǎn)，曲柄銷軸向方向?yàn)閄軸，垂直軸向方向?yàn)镼方向，曲柄銷周向方向?yàn)棣确较?，建立曲柄銷受力坐標(biāo)系如圖3所示。則壓力Q分布方程可表示為式（1）。其中，曲柄銷半軸向長度為L，曲柄銷半徑為r。

圖3 曲柄銷所受面載荷力示意圖

由于四個氣缸交替發(fā)火，故四個曲柄銷的面載荷方程也是交替變換。將增程器各個參數(shù)帶入式（1），可得四個面載荷方程。第三缸發(fā)火各曲柄銷面載荷方程如表1所示，其中負(fù)號表示此時該曲柄銷所受力為拉力。

表1 第三缸發(fā)火時各曲柄銷面載荷方程

2．3 有限元仿真結(jié)果分析

任意一缸發(fā)火時刻的應(yīng)力圖見圖4至圖7。對曲軸四種工況下的應(yīng)力圖分析可知，曲軸的最大應(yīng)力發(fā)生在第一缸發(fā)火時，在曲柄銷與曲柄的過度圓角位置發(fā)生值為115MPa。本文研究的增程器的曲軸選用42CrMoA的材料，強(qiáng)度極限為1080MPa，材料強(qiáng)度極限比最大應(yīng)力要大很多。因此，在靜態(tài)強(qiáng)度方面，本文的曲軸滿足要求。同時，增程器運(yùn)轉(zhuǎn)中受力最為復(fù)雜的部件是曲軸，故在強(qiáng)度方面整個增程器軸系系統(tǒng)也是合理的。

圖4 第一氣缸發(fā)火時刻曲軸應(yīng)力圖

圖5 第二氣缸發(fā)火時刻曲軸應(yīng)力圖

圖6 第三氣缸發(fā)火時刻曲軸應(yīng)力圖

圖7 第四氣缸發(fā)火時刻曲軸應(yīng)力圖

3 曲軸模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的固有頻率與相應(yīng)的模態(tài)結(jié)構(gòu)形狀是設(shè)計(jì)承受變化載荷條件結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，而模態(tài)分析便可用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻域和模態(tài)形狀［8］。為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的增程器軸系系統(tǒng)模型是否滿足其動態(tài)設(shè)計(jì)要求，也為后續(xù)柔性體的建立做前期準(zhǔn)備工作，需進(jìn)行有限元模態(tài)分析。

一般狀況下，較低階頻率會引起機(jī)械的共振［6］，由此主要研究了曲軸前13階模態(tài)。而前6階模態(tài)為剛體模態(tài)，其固有頻率幾乎為0，故只需確定第7階到第13階模態(tài)的影響。通過有限元模態(tài)分析，第7階到第13階模態(tài)的模態(tài)振形如圖8至圖14所示，固有頻率值列在表2。

圖8 第7階模態(tài)變形圖

圖9 第8階模態(tài)變形圖

圖10 第9階模態(tài)變形圖

圖11 第10階模態(tài)變形圖

圖12 第11階模態(tài)變形圖

圖13 第12階模態(tài)變形圖

圖14 第13階模態(tài)變形圖

表2 曲軸固有頻率值（7－13階模態(tài)）

由模態(tài)分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：（1）在曲軸前13階自由模態(tài)中，其最低頻率為150．65Hz，而所研究的增程器發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為0－3000rpm，其轉(zhuǎn)頻范圍為0－50Hz，該最低頻率遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)頻范圍，從而避開了共振。由此可知，所研究的增程器曲軸滿足動態(tài)要求。（2）曲軸在低階頻率下的主要振型以彎曲振動為主、扭轉(zhuǎn)振動為輔，彎曲振動會在曲軸的自由端產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和導(dǎo)致軸承早期磨損［9］，因此在設(shè)計(jì)此類部件時，需注意彎曲振動的影響。

4 增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)?混合多體動力學(xué)模型的建立

為通過虛擬樣機(jī)仿真來研究增程器的故障診斷特征，需將模型導(dǎo)入虛擬樣機(jī)軟件ADAMS中，以建立完整的增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)模型，供后續(xù)仿真研究。

4．1 模態(tài)中性文件的生成

曲軸的模態(tài)分析就是為柔性體的生成做準(zhǔn)備，所以在建立曲軸的MNF中性文件時，只需在兩個曲軸端、四個曲柄銷中心和五個主軸頸處建立11個外部節(jié)點(diǎn)，然后用MASS21單元對這些外部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后在節(jié)點(diǎn)周圍創(chuàng)建剛性區(qū)域，便可導(dǎo)出柔性體。得到的曲軸柔性體外部節(jié)點(diǎn)剛性區(qū)域如圖15所示。

4．2 模型設(shè)置

利用CATIA和ADAMS軟件的對接，將增程器軸系系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)中，對各個部件進(jìn)行真實(shí)材料的屬性定義，相關(guān)部件的材料屬性如表3所示。

圖15 曲軸柔性體外部節(jié)點(diǎn)剛性區(qū)域

表3 增程器相關(guān)部件材料屬性

按照實(shí)際構(gòu)件連接情況，定義部件間的運(yùn)動副連接。模擬發(fā)動機(jī)驅(qū)動是通過在活塞頂部作用外部激勵壓力P實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過示工圖的轉(zhuǎn)換可得到外部激勵壓力曲線SPLINE＿N，而在虛擬樣機(jī)中是通過函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其函數(shù)表達(dá)為：

4．3 剛?cè)峄旌夏Ｐ偷慕?/h3>

集合軟件ANSYS和ADAMS，將柔性曲軸導(dǎo)入ADAMS軟件，替換原來部件，得到增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)模型如圖16所示。由此便可開展動力學(xué)仿真和故障模擬以及故障特征的提取，從而來實(shí)時診斷增程式電動汽車的運(yùn)行。

圖16 增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)模型

5 小結(jié)

利用有限元技術(shù)，對增程器曲軸進(jìn)行了靜態(tài)與動態(tài)有限元分析，再結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)模型，由此得到以下結(jié)論：

（1）通過對增程式電動汽車軸系系統(tǒng)重要部件曲軸進(jìn)行的有限元強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的增程器靜態(tài)性能滿足強(qiáng)度要求，可用于后續(xù)仿真。

（2）通過對增程式電動汽車軸系系統(tǒng)重要部件曲軸進(jìn)行的有限元模態(tài)分析，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的增程器動態(tài)性能滿足要求，可用于后續(xù)仿真。

（3）結(jié)合有限元和虛擬樣機(jī)技術(shù)創(chuàng)立的合格的增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)模型，可為增程器動力學(xué)仿真提供仿真平臺支持，由此可進(jìn)行增程器動力學(xué)仿真和故障診斷特征提取。