某柴油機空壓機支架有限元分析及優(yōu)化

駱翠芳，陳國強，孫晶晶

濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機技術(shù)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

有限元分析已成為產(chǎn)品研發(fā)過程中必不可少的工具，在校核產(chǎn)品設(shè)計方案、改進產(chǎn)品設(shè)計及提高產(chǎn)品強度和壽命等方面發(fā)揮重要作用[1]，有限元分析結(jié)合計算機輔助工程 (computer aided engineering，CAE)技術(shù)可快速找到問題原因，針對性地進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[2]。CAE分析軟件眾多，其中Abaqus是國際上公認的最先進的大型通用非線性有限元分析軟件之一，廣泛應(yīng)用于機械制造、航空航天、汽車交通、土木工程等領(lǐng)域[3-5]。Femfat軟件是一款高效的疲勞分析軟件，包括Basic、Max、Lab及Results Manager等模塊，能夠?qū)Σ煌芰顟B(tài)零部件提供合適的疲勞壽命預(yù)測方案，與Abaqus軟件有良好的接口[6]。

空壓機支架是柴油機的關(guān)鍵支撐件之一，其可靠性直接影響整個空壓機的正常使用及性能，在柴油機設(shè)計階段對空壓機支架進行有限元分析非常必要[7]。本文中采用Abaqus軟件對空壓機支架進行模態(tài)、強度及連接可靠性計算，采用Femfat分析軟件對空壓機支架進行高周疲勞性能分析，根據(jù)計算結(jié)果對空壓機支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確保空壓機支架的可靠性。

1 仿真分析流程與有限元模型

空壓機支架計算分析流程如圖1所示，首先根據(jù)實際情況建立空壓機支架三維模型，利用前處理軟件進行網(wǎng)格劃分生成有限元模型，支架的仿真評估主要采用靜穩(wěn)態(tài)方法，從以下4方面校核設(shè)計是否符合要求：1)模態(tài)分析評估；2)靜強度計算評估；3)高周疲勞強度計算評估；4)連接可靠性評估。若支架系統(tǒng)的模態(tài)評估結(jié)果不滿足規(guī)范要求，需要進行結(jié)構(gòu)改進，提升系統(tǒng)的固有頻率，直至系統(tǒng)模態(tài)滿足要求之后，再進行支架強度、疲勞及連接可靠性的校核[8]。

原支架模型中，空壓機通過支架固定在機體上，張緊輪固定在空壓機支架上，為有效簡化模型，建立計算用空壓機支架三維有限元模型包括空壓機支架、空壓機、機體、張緊輪和連接螺栓，如圖2所示。利用Simlab軟件對該有限元模型進行網(wǎng)格劃分和相應(yīng)的連接處理，結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格均采用修正的四面體二階單元以提高求解精度；對機體剖切面進行x、y、z方向約束，除螺紋聯(lián)接以外，其他各部件接觸面建立相應(yīng)的接觸對[9]。

圖1 空壓機支架有限元分析流程圖

圖2 空壓機支架有限元模型

2 有限元分析及優(yōu)化

2.1 模態(tài)

空壓機支架所承受的載荷主要來自固定螺栓傳遞的發(fā)動機工作過程產(chǎn)生的振動以及空壓機自身振動[10]。當(dāng)發(fā)動機產(chǎn)生的激勵頻率與支架固有頻率接近時，支架會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成支架結(jié)構(gòu)破壞，影響空壓機的正常工作。通過模態(tài)分析可以得到系統(tǒng)每階次的固有振動特性、阻尼比和模態(tài)振型，避免發(fā)動機在常用工況下產(chǎn)生共振[11]。

表1 空壓機支架前3階模態(tài)頻率及振型

a)1階 b)2階 c)3階 圖3 空壓機支架各階次模態(tài)振型

本文中從空壓機系統(tǒng)的振動特性出發(fā)，通過有限元分析，得到空壓機支架模態(tài)情況。坐標(biāo)系采用發(fā)動機系統(tǒng)的默認設(shè)置：原點設(shè)定在發(fā)動機飛輪殼后端面與曲軸軸線的交點；x軸正向為沿曲軸軸線方向，由飛輪端指向自由端；z軸正向為豎直向上;y軸正向遵循右手螺旋法則。前3階模態(tài)頻率及振型描述如表1所示，模態(tài)振型如圖3所示。

一般規(guī)定輔助支架系統(tǒng)模態(tài)的一階固有頻率應(yīng)大于柴油機點火激振頻率的1.2倍[12]。柴油機的點火激振頻率

(1)

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，i為發(fā)動機氣缸數(shù),τ為發(fā)動機沖程數(shù)。

該發(fā)動機為4缸4沖程，轉(zhuǎn)速為3200 r/min。經(jīng)計算，該發(fā)動機的點火激勵頻率為106.1 Hz?？諌簷C支架系統(tǒng)第1階模態(tài)頻率為128.0 Hz，未避開共振風(fēng)險，不滿足整車噪聲、振動、聲振粗糙度(noise，vibration，harshness，NVH)可靠性設(shè)計要求[13]。

拓撲優(yōu)化相比于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化具有更多的設(shè)計自由度，可獲得較大的設(shè)計空間，故對該空壓機支架模態(tài)不滿足要求處進行拓撲優(yōu)化計算[14]，主要改動底部加強筋走向，考慮實際裝配情況、工藝，拓撲優(yōu)化過程如圖4所示。

對拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)重新進行CAD構(gòu)造，優(yōu)化后空壓機支架結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

a) 正面筋分布 b)側(cè)面筋分布 圖4 空壓機支架拓撲優(yōu)化

圖5 優(yōu)化后空壓機支架結(jié)構(gòu)模型

表2 改進后空壓機支架前3階模態(tài)頻率及振型

結(jié)構(gòu)改進后進行模態(tài)分析，前3階模態(tài)頻率及振型描述如表2所示。由表2可知，系統(tǒng)第1階模態(tài)頻率為131 Hz，滿足NVH可靠性設(shè)計要求。

2.2 靜強度

空壓機支架系統(tǒng)靜強度分析主要考核支架在靜載荷狀態(tài)下是否滿足設(shè)計要求。靜強度分析過程中采用連接螺栓的最大預(yù)緊力，支架振動主要來源于發(fā)動機的振動激勵，是其所受加速度沖擊載荷的主要來源。施加x、y、z正負6個方向15g(g為重力加速度)的沖擊載荷，計算該工況下支架的應(yīng)力分布，結(jié)果如圖6所示(圖中單位為MPa)。

a) 主視圖 b) 側(cè)視圖 圖6 空壓機支架Mises應(yīng)力計算結(jié)果

空壓機支架材料為QT450，其抗拉屈服強度限值為310 MPa。空壓機支架在各方向載荷沖擊下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為207 MPa，低于抗拉屈服強度，螺栓孔周圍不做評價，空壓機支架靜強度滿足要求。

2.3 疲勞強度

支架在靜載荷狀態(tài)下發(fā)生破壞失效的情況很少，失效行為大多數(shù)是由整機振動產(chǎn)生的交變沖擊載荷引起的疲勞破壞。將空壓機支架Mises應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入疲勞計算軟件Femfat中，通過設(shè)置材料數(shù)據(jù)、循環(huán)載荷及節(jié)點屬性等進行高周疲勞計算[15]。

空壓機支架高周疲勞計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，空壓機支架最小安全系數(shù)為0.98，小于最小安全系數(shù)限值1.1。優(yōu)化空壓機支架結(jié)構(gòu)，將圖7中紅色區(qū)域的加強筋增厚至10 mm，如圖8所示。計算空壓機支架加強筋增厚后的高周疲勞系數(shù)，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，優(yōu)化后空壓機支架最小安全系數(shù)為1.16，滿足最小安全系數(shù)限值要求。

圖7 優(yōu)化前支架高周疲勞計算結(jié)果 圖8 支架加強筋優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖 圖9 優(yōu)化后支架高周疲勞計算結(jié)果

2.4 連接可靠性

連接可靠性要求在螺柱的作用下空壓機支架與機體之間的結(jié)合面始終保持一定的壓力。校核螺栓連接可靠性時，在各向沖擊加速度和反作用扭矩工況下，要求支架通孔周邊的面壓不小于1 MPa[16]。采用最小螺栓預(yù)緊力，施加x、y、z正負6個方向15g(g為重力加速度)沖擊載荷，空壓機支架與機體接觸面面壓計算結(jié)果如圖10所示(圖中單位為MPa)。由圖10可知，在各方向加速度載荷沖擊下支架與機體接觸面間面壓均大于1 MPa，且連續(xù)無間斷，螺栓孔周圍無分離，連接可靠性滿足要求。

圖10 連接可靠性計算結(jié)果

根據(jù)有限元分析和改進方案，該空壓機支架已完成樣機開發(fā)并通過耐久試驗驗證，優(yōu)化方法準(zhǔn)確有效,可用于指導(dǎo)支架類產(chǎn)品的正向開發(fā)設(shè)計。

3 結(jié)論

1)通過拓撲優(yōu)化改進空壓機支架結(jié)構(gòu)后,系統(tǒng)第1階模態(tài)頻率為131 Hz，避開了共振頻率，滿足NVH可靠性設(shè)計要求。

2)空壓機支架在各向載荷沖擊下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為207 MPa，低于材料屈服強度310 MPa，滿足靜強度要求；通過支架加速度載荷沖擊試驗驗證，連接可靠性滿足要求。

3)優(yōu)化前空壓機支架最小安全系數(shù)0.98，不滿足安全系數(shù)限值；將薄弱區(qū)域加強筋增厚至10 mm，最小安全系數(shù)為1.16，滿足限值要求。