硅油減振器的參數(shù)化設(shè)計(jì)及有限元計(jì)算研究

何康威，鄒 磊，肖能齊2，*

(1.宜都市仝鑫精密鍛造有限公司，湖北 宜都 443300；2.三峽大學(xué) 機(jī)器人與智能系統(tǒng)宜昌市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

工程車輛柴油機(jī)傳動系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，柴油機(jī)輸出的能量經(jīng)過聯(lián)軸器、變速箱、傳動軸和車橋系統(tǒng)連續(xù)不斷地傳遞至負(fù)載，該過程為機(jī)械動力學(xué)中的多體動力學(xué)運(yùn)動問題。由于柴油機(jī)作為典型的彈性系統(tǒng)，柴油機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生交變扭轉(zhuǎn)力矩，從而使柴油機(jī)本身的各質(zhì)量點(diǎn)間發(fā)生相對運(yùn)動導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)變形和應(yīng)力的產(chǎn)生，扭轉(zhuǎn)振動較大可能導(dǎo)致柴油機(jī)曲軸斷裂、軸瓦剝落燒損或機(jī)體振動和噪聲較大。目前為了解決上述問題，主要是采取調(diào)整車輛系統(tǒng)的固有頻率、改變柴油機(jī)發(fā)火順序和和加裝扭轉(zhuǎn)振動減振器等三種方式[1]。硅油減振器具有減小扭轉(zhuǎn)振動振幅，減小激振能量與增加阻尼消耗能量等優(yōu)點(diǎn)，因此目前被廣泛用于柴油機(jī)傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組等[2]。

目前國內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)等對硅油減振器的研究主要集中在減振數(shù)學(xué)模型與機(jī)理、硅油減振器設(shè)計(jì)與應(yīng)用、動態(tài)匹配以及臺架試驗(yàn)等方面[3-5]。Syrakos等[6]通過對硅油減振器的結(jié)構(gòu)特征與減振機(jī)理進(jìn)行研究與分析，利用有限元體積法模擬了柴油發(fā)動機(jī)在不同激勵頻率下硅油阻尼器的減振特性以及硅油的流動特性進(jìn)行了研究。Zawisza等[7]分析了硅油阻尼器的結(jié)構(gòu)特性，提出了基于柴油機(jī)幅值最小的硅油阻尼器最佳匹配準(zhǔn)則。該方法用于指導(dǎo)柴油機(jī)廠家匹配硅油阻尼器。Homik[8]在對多缸內(nèi)燃機(jī)扭轉(zhuǎn)振動計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了減振器振動阻尼效率隨阻尼粘度變化的規(guī)律。劉國凱等[9]為提高硅油減振器外殼旋壓成形合格率，利用有限元法，對硅油減振器的四道次旋壓方法進(jìn)行的沒道次進(jìn)行模擬與仿真分析；同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該工藝方法的可行性。張立偉[10]選取傳統(tǒng)加工方法制造的硅油減振器與精細(xì)制造方法提高減振器的形位公差、工藝尺寸精度以及殼體內(nèi)硅油填充率等制造的硅油減振器，借助臺架試驗(yàn)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動測試計(jì)算與分析，通過對比分析驗(yàn)證了硅油減振器的精細(xì)制造有助于提高減振器的減振效果。上官文斌等[11]為設(shè)計(jì)硅油減振器阻尼測試試驗(yàn)機(jī)，對所采用的減振器阻尼測試方法進(jìn)行了闡述；同時(shí)根據(jù)減振器的減振機(jī)理和阻尼測試方法，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺驅(qū)動裝置。

本文以某工程車輛傳動系統(tǒng)中的硅油減震器為研究對象，對硅油減振器結(jié)構(gòu)組成和減振機(jī)理進(jìn)行研究，利用VB.NET軟件平臺開發(fā)具有通用性的硅油減振器參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件；同時(shí)利用ANSYS有限元軟件對硅油減振器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和殼體溫度分布特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算與分析，為硅油減振器的參數(shù)化設(shè)計(jì)與力學(xué)特性研究奠定基礎(chǔ)。

1 基于VB.NET的硅油減振器參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 硅油減震器基本組成及其工作原理

硅油減振器主要是由減振器外殼體、慣性環(huán)體、殼體蓋板、填充于減振器外殼體與慣性環(huán)體之間間隙的硅油以及堵塞等部件組成。其中：硅油減振器的外殼體與殼體蓋板之間是通過焊接的方式進(jìn)行連接；殼體的內(nèi)環(huán)向內(nèi)曲起，形成一個(gè)儲油槽；在發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于減振器外殼體內(nèi)的慣性環(huán)體在外殼體內(nèi)進(jìn)行自由回轉(zhuǎn)運(yùn)動。硅油減振器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中R2—慣性環(huán)體外環(huán)半徑，—R3—慣性環(huán)體內(nèi)環(huán)半徑，B—慣性環(huán)體的厚度，B1—?dú)んw的高度，B2—?dú)んw的厚度，R0—外殼體外環(huán)半徑，h—硅油厚度，R1—與法蘭連接的內(nèi)環(huán)半徑。

圖1 硅油減振器的結(jié)構(gòu)示意圖

硅油減振器的減振基本原理是當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在柴油機(jī)曲軸自由端的硅油減振器隨柴油機(jī)曲軸一起進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動；硅油減振器殼體內(nèi)的慣性環(huán)體由于慣性作用，慣性環(huán)體并不隨著殼體一起同步進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而減振器外殼體與慣性環(huán)體之間存在相對運(yùn)動，填充在減振器外殼體與慣性環(huán)體之間間隙的硅油將會產(chǎn)生剪切作用，使得硅油內(nèi)部產(chǎn)生粘性摩擦力。由于硅油減振器的阻尼作用，將產(chǎn)生阻尼功，把柴油機(jī)曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的能量通過阻尼功轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉，從而達(dá)到降低柴油機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)振動的減振目的。

根據(jù)硅油減振器的組成結(jié)構(gòu)和硅油在殼體與慣性環(huán)體之間的分布特點(diǎn)，為了計(jì)算與分析更為直觀，可以將其簡化為由兩塊間距為h的平行板之間充滿粘性系數(shù)為m的流體介質(zhì)的基本模型，圖2為硅油減振器外殼體與慣性環(huán)體間充滿粘性流體的基本模型。

圖2 硅油減振器外殼體與慣性環(huán)體間充滿粘性流體的基本模型

根據(jù)如圖2 (b)所示的硅油減振器外殼體與慣性環(huán)體間充滿粘性流體的基本模型和牛頓內(nèi)摩擦力定律，流體層間的內(nèi)摩擦力F和硅油層之間的切應(yīng)力(即單位面積上的內(nèi)摩擦力)可表示為：

(1)

(2)

假定硅油相對運(yùn)行時(shí)做簡諧振動，則圖2(b)所示的減振器的流體平板簡化模型的位移x和剪切速率rm為

x=Xsinωt

(3)

(4)

根據(jù)公式(1)～(4)，可以分別得到內(nèi)摩擦力F和粘性阻尼消耗的能量Wh為

(5)

(6)

則系統(tǒng)黏性阻尼力在一個(gè)周期內(nèi)消耗的能量為

(7)

在硅油減振器的徑向和側(cè)向間隙中，硅油產(chǎn)生的徑向阻力力矩和側(cè)向阻力矩分別為

(8)

式中：υn為徑向運(yùn)動粘度(m2/s)；υt為側(cè)向運(yùn)動粘度(m2/s)，ΔAed為振動幅值。

1.2 基于VB.NET的硅油減振器集成系統(tǒng)軟件開發(fā)

根據(jù)硅油減振器的組成結(jié)構(gòu)以及其減振器機(jī)理，利用VB.NET軟件開發(fā)具有友好型界面參數(shù)化輸入、參數(shù)化設(shè)計(jì)與建模等功能的硅油減振器集成系統(tǒng)軟件，其軟件開發(fā)的流程圖如圖3所示。

圖3 基于VB.NET的硅油減振器集成系統(tǒng)軟件開發(fā)流程圖

對圖3所示基于VB.NET的硅油減振器集成系統(tǒng)軟件開發(fā)流程圖進(jìn)行分析，軟件主要模塊及其功能如下：

1)硅油減振器參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊。該模塊主要包括硅油減振器外殼體的輸入/修改、慣性環(huán)體的輸入/修改以及其他尺寸參數(shù)的輸入/修改，圖4為硅油減振器基本參數(shù)輸入界面。

2)數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊。該模塊采用在SQL Server數(shù)據(jù)庫中建表存儲數(shù)據(jù)，從而完成在軟件運(yùn)行過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的查詢、更新和修改等，如：硅油減振器外殼體和慣性環(huán)體的存儲與讀取以及相關(guān)文檔輸出等。圖5為硅油減振器數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊界面。

圖4 硅油減振器基本參數(shù)輸入界面

圖5 硅油減振器數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊界面

3)繪圖模塊。該模塊根據(jù)硅油減振器參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊相關(guān)參數(shù)，通過對三維建模軟件UG進(jìn)行二次開發(fā)，可以獲得UG軟件的進(jìn)程和工作部件代碼；同時(shí)通過VB.NET與UG連接，將三維建模軟件UG二次發(fā)的代碼引入到基于VB.NET的硅油減振器集成系統(tǒng)中，從而得到硅油減振器三維模型，圖6為硅油減振器三維模型繪圖模塊界面。

圖6 硅油減振器三維模型繪圖模塊界面

2 硅油減振器有限元分析

2.1 有限元模型

利用開發(fā)的基于VB.NET的硅油減振器集成系統(tǒng)軟件，導(dǎo)出FA3081040型硅油減振器三維模型。為了ANSYS軟件對硅油減振器進(jìn)行計(jì)算與分析的快速性和準(zhǔn)確性，本文對硅油減振器的較小的突臺、微斜角以及微圓角進(jìn)行適當(dāng)簡化處理；同時(shí)選取FA3081040型硅油減振器模型的1/2作為分析對象。模型導(dǎo)入到Ansys-workbench中，對硅油減振器的網(wǎng)格模型采用四面體單元進(jìn)行劃分，得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為112200，單元總數(shù)為57307，F(xiàn)A3081040型硅油減振器模型網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 FA3081040型硅油減振器模型網(wǎng)格劃分

在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被安裝在曲軸自由端的硅油減振器隨曲軸一起進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而在殼體內(nèi)的慣性環(huán)體與殼體本身做相對轉(zhuǎn)動。在ANSYS計(jì)算分析過程中，對假定殼體和背部蓋板進(jìn)行約束，使其固定不動；硅油在運(yùn)動過程中對殼體產(chǎn)生的扭矩可以簡化為，施加一個(gè)沿殼體上下表面半徑方向變化的液體壓強(qiáng)，施加的變應(yīng)力載荷為0.0015R(MPa)，F(xiàn)A3081040型硅油減振器邊界條件及載荷施加模型如圖8所示。

圖8 FA3081040型硅油減振器邊界條件及載荷施加模型

2.2 計(jì)算與分析

通過對硅油減振器的減振機(jī)理及其工作過程中的邊界條件和載荷特點(diǎn)進(jìn)行分析，利用ANSYS軟件進(jìn)硅油減振器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算與分析，其計(jì)算結(jié)果如圖9 和圖10所示。

圖9 FA3081040型硅油減振器應(yīng)力值分布云圖

圖10 FA3081040型硅油減振器變形值分布云圖

根據(jù)如圖9和圖10所示的FA3081040型硅油減振器應(yīng)力值分布云圖和變形值分布云圖可知：

從對FA3081040型硅油減振器的應(yīng)力和位移變化的結(jié)果來看，殼體的應(yīng)力值分布范圍是0.25 MPa～54.92 MPa之間，其應(yīng)力分布結(jié)果均小于結(jié)構(gòu)鋼材料的許用應(yīng)力值；FA3081040型硅油減振器殼體的位移變形量在0～0.097 mm之間，因此FA3081040型硅油減振器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文在對硅油減振器的組成結(jié)構(gòu)和減振機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，利用VB.NET開發(fā)軟件和UG二次開發(fā)進(jìn)行混合編程；采用模塊化法開發(fā)了具有友好型界面參數(shù)化輸入、參數(shù)化設(shè)計(jì)與建模等功能的硅油減振器集成系統(tǒng)軟件，為硅油減振器的參數(shù)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，極大提高了硅油減振器的設(shè)計(jì)效率。

利用所開發(fā)的基于VB.NET的硅油減振器集成系統(tǒng)軟件，導(dǎo)出FA3081040型硅油減振器三維模型。利用ANSYS軟件對硅油減振器的模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并構(gòu)建符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的邊界條件和載荷，對硅油減振器的力學(xué)特性進(jìn)行了計(jì)算與分析。后續(xù)研究可以在參數(shù)化設(shè)計(jì)及有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步開展硅油減振器動態(tài)匹配設(shè)計(jì)。