基于有限元仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳強(qiáng)度分析

王俊然，程市，曾超，劉倫倫，沈琳清，謝永勝

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳是發(fā)動(dòng)機(jī)吊裝及轉(zhuǎn)運(yùn)過程中必不可少的部件，若強(qiáng)度不足，吊耳會(huì)變形甚至斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)從空中墜落，造成嚴(yán)重安全事故和重大經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳強(qiáng)度的校核大多采用現(xiàn)場(chǎng)吊裝驗(yàn)證，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還具有一定危險(xiǎn)性。由于不同主機(jī)廠的吊裝工具不同，現(xiàn)場(chǎng)吊裝驗(yàn)證并不能滿足所有主機(jī)廠的需求。

目前針對(duì)強(qiáng)度校核的有限元分析方法較少，主要集中在船舶[3-4]、集裝箱以及航天航空[5-8]等大型設(shè)備吊裝的安全性校核，但其吊裝結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳不同，因此需要研究發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳強(qiáng)度校核[9-10]的有限元仿真方法。本文中建立發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳在垂直和斜拉起吊工況的受力情況進(jìn)行有限元分析，并依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳強(qiáng)度有限元分析的準(zhǔn)確性，為發(fā)動(dòng)機(jī)的安全吊裝和裝運(yùn)提供保障。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳的有限元仿真

1.1 有限元模型的建立

根據(jù)計(jì)算需求簡(jiǎn)化幾何模型，進(jìn)行幾何清理，根據(jù)模型大小及結(jié)構(gòu)等因素劃分出理想的網(wǎng)格模型，將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元分析軟件中建立有限元模型[11-15]，吊耳有限元模型如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳的材料為Q235，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，密度為7800 kg/m3，屈服強(qiáng)度為235 MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心P與機(jī)體、缸蓋的剖切面建立耦合，約束質(zhì)心P處6個(gè)自由度，根據(jù)吊裝時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)受力區(qū)域建立耦合，施加吊裝力，如圖2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳有限元模型 圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳耦合示意圖

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳的受力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起吊主要包括垂直起吊和斜拉起吊兩種工況。起吊過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)保持8 m/min的速度勻速向上運(yùn)行，吊耳主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)的重力載荷和起吊瞬間的沖擊載荷。兩種工況起吊過程中，均以n(沖擊系數(shù)，取1.0～2.0)倍的發(fā)動(dòng)機(jī)重力模擬沖擊載荷。

1.2.1 垂直起吊工況

發(fā)動(dòng)機(jī)垂直起吊工況受力示意圖如圖3所示。

a)起吊示意圖 b)受力分析圖圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)垂直起吊受力分析圖

該工況下吊耳受到的拉力垂直向上，按照兩端吊環(huán)垂向力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心取力矩相等的關(guān)系，可得到前后吊耳的受力計(jì)算公式。

前吊耳的垂直方向受力

對(duì)患者接受人性化護(hù)理干預(yù)前后的焦慮心理進(jìn)行判定,依據(jù)為漢密爾頓焦慮量表,總分≥7分表明有焦慮癥狀,焦慮程度和分?jǐn)?shù)為正相關(guān)關(guān)系。

F1y=nGb/L，

(1)

式中：G為發(fā)動(dòng)機(jī)重量，b為后吊環(huán)距質(zhì)心P的水平距離，L為兩吊耳的水平距離。

后吊耳的垂直方向受力

F2y=nGa/L，

(2)

式中:a為前吊環(huán)距質(zhì)心P的水平距離。

該發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)量為375 kg。經(jīng)計(jì)算，前后吊耳所受的力分別為：F1y= 2667 N，F(xiàn)2y= 2845 N。

1.2.2 斜拉起吊工況

斜拉起吊工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)偏轉(zhuǎn)前、后受力示意圖如圖4所示。

a)偏轉(zhuǎn)前 b)偏轉(zhuǎn)后圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)斜拉起吊偏轉(zhuǎn)前、后受力圖

由于發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心不在中心，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的受力示意圖如4b)所示。該工況下吊耳受到沿繩索方向的拉力，可將其分解為垂直向上和水平方向的拉力，按照兩端吊耳的受力情況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心取力矩平衡，可得到前、后吊耳的垂向和水平方向的受力。

(3)

前吊耳水平方向受力

F1x=F1y/tanθ。

(4)

后吊耳垂直方向受力

(5)

后吊耳水平方向受力

F2x=F2y/tanθ。

(6)

斜拉起吊工況下，θ=75°，α較小，約為0，可得前后吊耳所受垂直、水平方向的力分別為：F1y=2667 N，F(xiàn)1x= 717 N，F(xiàn)2y=2845 N，F(xiàn)2x=762 N。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳最大應(yīng)力 MPa

1.3 仿真結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳考察區(qū)域的最大應(yīng)力結(jié)果如表1所示。由表1可知，斜拉起吊工況下吊耳的最大應(yīng)力大于垂直起吊工況。斜拉起吊工況下，吊耳受到一個(gè)水平方向的拉力，當(dāng)水平拉力過大時(shí)，吊耳會(huì)發(fā)生彎曲，甚至斷裂。垂直起吊、斜拉起吊工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳應(yīng)力云圖分別如圖5、6所示(圖中單位為MPa)。

a) 前吊耳 b) 后吊耳 a) 前吊耳 b) 后吊耳 圖5 垂直工況發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳應(yīng)力云圖 圖6 斜拉工況發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳應(yīng)力云圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳應(yīng)力測(cè)試

斜拉起吊工況下發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳受的應(yīng)力大于垂直起吊工況，因此進(jìn)一步對(duì)斜拉起吊工況進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。

2.1 測(cè)試方法

通過仿真得到吊耳所受應(yīng)力結(jié)果，確定應(yīng)力較大區(qū)域和測(cè)試時(shí)吊耳應(yīng)變片的粘貼位置，如圖7所示。通過繩索斜拉起吊發(fā)動(dòng)機(jī)然后放置，起吊角度為75°，重復(fù)試驗(yàn)3次，如圖8所示。起吊過程中用應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)斜拉起吊過程中吊耳所受應(yīng)力。

a) 應(yīng)變片1、2、3 b) 應(yīng)變片4、5 圖7 吊耳應(yīng)變片粘貼位置 圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)斜拉起吊

2.2 測(cè)試結(jié)果

前吊耳應(yīng)變片1、2、3在測(cè)試過程中所受應(yīng)力如圖9所示，后吊耳應(yīng)變片4、5所受應(yīng)力如圖10所示。斜拉起吊過程中，前吊耳所受最大應(yīng)力為157 MPa，后吊耳所受最大應(yīng)力162 MPa。

圖9 前吊耳應(yīng)變片1、2、3應(yīng)力曲線 圖10 后吊耳應(yīng)變片4、5應(yīng)力曲線

2.3 仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

在斜拉工況下，前吊耳仿真最大應(yīng)力為168 MPa，測(cè)試最大應(yīng)力為157 MPa，二者相對(duì)誤差為7%；后吊耳仿真最大應(yīng)力為175 MPa，測(cè)試最大應(yīng)力為162 MPa，二者相對(duì)誤差為8%。前、后吊耳的相對(duì)誤差均在可接受范圍之內(nèi)，表明有限元仿真方法校核發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳強(qiáng)度準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

1)發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳仿真應(yīng)力與測(cè)試應(yīng)力的相對(duì)誤差為8%左右，表明發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳強(qiáng)度仿真方法有效。

2)在斜拉起吊工況下發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳所受應(yīng)力大于垂直起吊工況；在斜拉工況下，繩索與水平面的夾角越小吊耳的受力越大。在實(shí)際的吊裝過程中應(yīng)盡量采用垂直起吊，避免采用斜拉起吊，若采用斜拉起吊，應(yīng)控制繩索與發(fā)動(dòng)機(jī)水平面的夾角。

3)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳進(jìn)行有限元分析，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳的開發(fā)和使用，縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本。