某發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇支撐系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化

趙宏陽

摘要：本文基于有限元方法，結(jié)合Abaqus軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的礦卡用發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，在分析結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)比了優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的模態(tài)與強(qiáng)度，優(yōu)化后系統(tǒng)模態(tài)與強(qiáng)度滿足要求。

Abstract： This paper based on FEM， using Abaqus software to simulate the structure of designed fan support system of engine using in truck， and optimize the structure based on simulation result， after optimization， the system mode and strength meet the requirements.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇;有限元;Abaqus;模態(tài)

Key words： engine fan;FEM;Abaqus;mode

0 ?引言

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，風(fēng)扇通過風(fēng)扇離合器、風(fēng)扇離合器支架、風(fēng)扇托架安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，系統(tǒng)固有模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)主激勵(lì)頻率接近會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。礦車行駛于礦山地區(qū)，行駛工況惡劣，行駛中有強(qiáng)烈顛簸，使風(fēng)扇有不同方向的加速度沖擊，這種沖擊載荷作用于風(fēng)扇托架系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)集中應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度。共振與集中應(yīng)力都會(huì)造成結(jié)構(gòu)的破壞。因此，在風(fēng)扇托架設(shè)計(jì)完成后，需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的模態(tài)與各向沖擊載荷下的強(qiáng)度，來分析結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理與否。

1 ?幾何模型的簡化與建立有限元網(wǎng)格

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇支撐系統(tǒng)的原始結(jié)構(gòu)模型如圖1（a）所示，模型中包含了發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇托架、風(fēng)扇、風(fēng)扇離合器、風(fēng)扇離合器支架等。由于計(jì)算模型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸較大，如計(jì)算中完整建模，將會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格過多影響計(jì)算速度。本文使用HyperMesh軟件，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡化。

計(jì)算過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為計(jì)算邊界，發(fā)動(dòng)機(jī)的完整與否對(duì)計(jì)算結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此將發(fā)動(dòng)機(jī)切割，保留風(fēng)扇托架固定側(cè)的1/4發(fā)動(dòng)機(jī)模型。風(fēng)扇在本模型中主要影響系統(tǒng)質(zhì)量，對(duì)整體剛度影響較小，故用質(zhì)量點(diǎn)代替風(fēng)扇，將其耦合在風(fēng)扇固定螺栓的螺栓孔上。風(fēng)扇離合器為復(fù)雜總成件，將其簡化為一個(gè)整體，設(shè)置材料屬性時(shí)保證其質(zhì)量。簡化后模型如圖1（b）所示。

2 ?仿真計(jì)算及分析

2.1 仿真計(jì)算 ?計(jì)算模型中考慮了所有螺栓連接面的摩擦接觸，屬于非線性分析。Abaqus軟件以精于非線性有限元分析見長，并且與HyperMesh軟件有很好的接口，本文中采用Abaqus軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1.1 材料屬性設(shè)置 ?在HyperMesh中畫好有限元網(wǎng)格，將其導(dǎo)入到Abaqus中，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇托架、風(fēng)扇離合器、風(fēng)扇離合器支架等材料屬性，各部件材料見表1。風(fēng)扇用質(zhì)量點(diǎn)代替，風(fēng)扇總重15.35kg，風(fēng)扇離合器總成總重67.3kg。

2.1.2 接觸設(shè)置 ?模態(tài)計(jì)算中不考慮螺栓，將各螺栓連接位置通過tie連接起來。強(qiáng)度計(jì)算中，螺栓連接部件接觸面之間設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)采用0.15，并加載螺栓力矩，各螺栓的螺栓力矩參見表2。

2.1.3 仿真計(jì)算 ?通過機(jī)械振動(dòng)理論可知，結(jié)構(gòu)固有頻率是固有特性，與外力無關(guān)，在模態(tài)計(jì)算中，不加外載荷。強(qiáng)度與計(jì)算中，施加六向沖擊載荷、皮帶力載荷，設(shè)置完成后提交仿真計(jì)算。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析 ?通過仿真，可獲得系統(tǒng)的前二階固有頻率與固有振型，參見表3與圖2。

本發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速為700-1800rpm。12缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸程V型排列，兩側(cè)氣缸點(diǎn)火順序具有對(duì)稱性，因此計(jì)算中i取6，計(jì)算得此轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火激勵(lì)為35-90Hz，由于系統(tǒng)固有頻率與點(diǎn)火激勵(lì)重和，所以系統(tǒng)有共振風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與分析 ?施加六個(gè)方向加速度載荷，風(fēng)扇離合器支架最大的Mises應(yīng)力為326.9MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生位置如圖3所示。由于風(fēng)扇離合器支架采用QT450材料，此材料屈服強(qiáng)度為310MPa，由第四強(qiáng)度理論，可以知道此支架有破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3 ?方案優(yōu)化及仿真計(jì)算分析

3.1 方案優(yōu)化

通過第一階振型可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇系統(tǒng)第一階振型為風(fēng)扇托架系統(tǒng)上下“點(diǎn)頭”，根據(jù)振動(dòng)理論可知，系統(tǒng)固有頻率ω=K/M，因此為提高系統(tǒng)固有頻率，應(yīng)提高上下?lián)u擺方向剛度。本文在風(fēng)扇離合器支架下增加輔助支撐，更改后方案如圖4所示。

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真與分析

3.2.1 模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

優(yōu)化后系統(tǒng)的前二階固有頻率與固有振型，參見表4。

通過表4可以看出，風(fēng)扇支撐系統(tǒng)第一階固有頻率提高到109.4Hz。工程中認(rèn)為，激勵(lì)頻率避開固有頻率的0.8-1.2倍，則不存在共振風(fēng)險(xiǎn)，因此優(yōu)化后系統(tǒng)避免了共振。

3.2.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與分析

優(yōu)化后，施加六個(gè)方向加速度載荷，支架應(yīng)力集中處Mises應(yīng)力為245.7MPa，如圖5所示，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，支架所受應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，零件強(qiáng)度滿足要求。

4 ?結(jié)束語

本文通過對(duì)風(fēng)扇支撐系統(tǒng)的仿真計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化后與優(yōu)化前仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，優(yōu)化后方案，不僅固有頻率提高到安全區(qū)域，避免了共振，同時(shí)應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力幅值降到材料屈服強(qiáng)度以下，因此優(yōu)化后結(jié)構(gòu)性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)性能。

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