基于發(fā)動機吊耳材料非線性的有限元仿真研究

王俊然，曾超，程市，劉倫倫，沈琳清，謝永勝

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

發(fā)動機吊耳是發(fā)動機在吊裝及轉(zhuǎn)運過程中必不可少的部件，當(dāng)其強度不滿足要求時，發(fā)動機在吊裝或轉(zhuǎn)運過程中，就會發(fā)生吊耳變形，甚至斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機從空中墜落，造成嚴(yán)重安全事故和重大的經(jīng)濟(jì)損失[1]?，F(xiàn)在對吊耳強度的校核主要以現(xiàn)場吊裝驗證為主。這樣既費時費力，還存在一定危險。目前有限元方法較少應(yīng)用在校核發(fā)動機吊耳強度上，且主要集中在船舶[2]、集裝箱以及航天航空[3]等大型設(shè)備的吊裝強度分析等應(yīng)用上。發(fā)動機吊耳與大型設(shè)備吊耳有所不同，因此需要建立發(fā)動機吊耳強度的有限元仿真分析。

通過拉伸試驗獲取發(fā)動機吊耳材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，考慮材料的非線性[4]行為，建立有限元模型對發(fā)動機吊耳進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合主機廠實際吊裝情況，證實基于非線性材料對發(fā)動機吊耳進(jìn)行有限元仿真方法的準(zhǔn)確性。

1 獲取材料屬性

1.1 測試方法

發(fā)動機吊耳的常用材料為Q235和Q345，其應(yīng)力-應(yīng)變性能如圖1所示[5]。在小應(yīng)力和應(yīng)變情況時表現(xiàn)出近似線彈性的性質(zhì)[6]，材料剛度即彈性模量是一個常數(shù)；在高應(yīng)力和應(yīng)變情況下，開始具有非線性的行為，稱其為塑性。從彈性到塑性行為的轉(zhuǎn)變發(fā)生在材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的屈服點。金屬在到達(dá)屈服點之前屬于彈性階段，只產(chǎn)生彈性變形，在卸載后可以完全恢復(fù)。當(dāng)應(yīng)力超過了屈服應(yīng)力，則進(jìn)入塑性階段，此時產(chǎn)生的既有彈性形變也有塑性形變，卸載后彈性形變可以完全恢復(fù)，但塑性形變將永久保持。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到強度極限時，金屬開始出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，并最終達(dá)到破壞。

圖1彈塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為

為獲取發(fā)動機吊耳常用的材料屬性，參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗》第1部分：室溫試驗方法。利用深圳萬測試驗設(shè)備有限公司的ETM305D-TS拉伸試驗機，對標(biāo)準(zhǔn)的板材拉伸樣件進(jìn)行拉伸試驗。樣件拉伸試驗前、后如圖2所示。

圖2樣件

1.2 數(shù)據(jù)處理

通過拉伸試驗，獲取了Q235和Q345的名義應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，但是在有限元分析中需采用真實應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，因此要對名義應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，具體公式如下：

(1)

(2)

式中，A0和l0樣件的初始橫截面積和長度；

A和l為某一時刻樣件的橫截面積和長度。由于樣件體積不變，即A0×l0=A×l。

則真實應(yīng)力：σt=σnom(1+εnom)

(3)

真實應(yīng)變：εt=ln(1+εnom)

(4)

通過上述公式轉(zhuǎn)換后得到的材料的真實應(yīng)力應(yīng)變和原始的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3、圖4所示。

圖3Q235的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4Q345的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 發(fā)動機吊耳原結(jié)構(gòu)仿真分析

由于主機廠的條件限制，不能采用垂直起吊，只能采用斜拉起吊，繩索與發(fā)動機的水平方向夾角θ=60°，如圖5所示。吊裝過程中后吊耳發(fā)生明顯變形，并與消音器發(fā)生干涉，結(jié)構(gòu)不滿足要求。

圖5發(fā)動機斜拉起吊工況

2.1 發(fā)動機吊耳受力分析

發(fā)動機斜拉工況受力如圖6a所示，發(fā)動機質(zhì)心不在中心，將導(dǎo)致發(fā)動機偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)后的受力如圖6b所示，該工況下吊環(huán)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。

起吊過程中，以n倍的發(fā)動機重力模擬沖擊載荷，按照兩端吊耳的受力對發(fā)動機(動力總成)質(zhì)心取矩平衡和受力分解關(guān)系，得到如下公式：

(5)

(6)

(7)

(8)

上式中：

Gy=G×cosα

(9)

(10)

式中，F(xiàn)1y為前吊耳垂直方向所受的力，F(xiàn)2y為后吊耳垂直方向所受的力，F(xiàn)1x為前吊耳水平方向所受的力，F(xiàn)2x為后吊耳水平方向所受的力，θ為繩索與水平方向的夾角，α為發(fā)動機偏轉(zhuǎn)角度，h為吊耳受力點距質(zhì)心P的垂直距離，G為發(fā)動機重量，L為兩吊環(huán)水平距離，a為前吊環(huán)距質(zhì)心P的水平距離，b為后吊環(huán)距質(zhì)心P的水平距離，n為沖擊系數(shù)(1-2)。

圖6發(fā)動機斜拉起吊受力圖

該發(fā)動機總成的質(zhì)量為660 kg，在斜拉工況下，繩索與水平方向的夾角θ=60°，經(jīng)計算發(fā)動機的偏轉(zhuǎn)角度α=12°，前后吊耳所受的力分別為：F1y=751.5 N；F1x= 43 4N；F2y=8 650 N；F2x=4 994 N。

2.2 彈性材料有限元分析

原結(jié)構(gòu)發(fā)動機吊耳的材料為Q235，采用彈性材料進(jìn)行有限元分析時，材料的彈性模量為212 000 MPa、泊松比為0.288、密度為7 800 kg/m3。發(fā)動機吊耳有限元模型，如圖7所示。

圖7發(fā)動機吊耳有限元模型

經(jīng)計算：發(fā)動機前吊耳所受最大Mises應(yīng)力為180 MPa，小于Q235的屈服極限235 MPa，滿足要求；后吊耳所受最大Mises應(yīng)力為1 400 MPa，遠(yuǎn)超屈服極限和強度極限，不滿足要求。但由于僅采用材料的彈性階段屬性，當(dāng)應(yīng)力值超過屈服極限后，所產(chǎn)生的應(yīng)力均為虛假應(yīng)力，且遠(yuǎn)大于吊耳實際所受的應(yīng)力。因此，當(dāng)?shù)醵軕?yīng)力超過屈服極限，仍采用彈性階段屬性進(jìn)行分析，這與實際情況不符，應(yīng)采用非線性材料屬性進(jìn)行分析，應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8彈性材料-原發(fā)動機吊耳應(yīng)力云圖

2.3 非線性材料有限元分析

原結(jié)構(gòu)發(fā)動機吊耳采用非線性材料屬性進(jìn)行有限元分析時，不僅設(shè)置材料的彈性階段屬性，還設(shè)置材料的塑性階段屬性。經(jīng)計算發(fā)動機前吊耳所受最大Mises應(yīng)力為180 MPa，小于Q235的屈服極限235 MPa，因為其未超過屈服極限，仍處于彈性階段，所以采用彈性材料和非線性材料計算的結(jié)果相同；后吊耳所受最大Mises應(yīng)力為500.7 MPa，遠(yuǎn)小于采用彈性材料的結(jié)算結(jié)果，但仍大于屈服極限和強度極限，因此力不滿足設(shè)計要求，應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9非線性材料-原發(fā)動機吊耳應(yīng)力云圖

通過有限元計算，發(fā)動機后吊耳強度不滿足要求，與主機廠反饋的吊裝情況一致，故需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 發(fā)動機吊耳優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真分析

原結(jié)構(gòu)在主機廠吊裝過程出現(xiàn)了變形，為了安全起見對前后吊耳同時進(jìn)行優(yōu)化，將原有的向外側(cè)折彎結(jié)構(gòu)，優(yōu)化為直板結(jié)構(gòu)，并對后吊耳進(jìn)行翻邊處理，來提高其抗彎強度，并將材料由Q235更改為Q345。具體優(yōu)化數(shù)模，如圖10所示。為校核優(yōu)化后結(jié)構(gòu)是否滿足要求，對其進(jìn)行有限元分析。

圖10發(fā)動機吊耳結(jié)構(gòu)

3.1 彈性材料有限元分析

優(yōu)化結(jié)構(gòu)發(fā)動機吊耳的材料為Q345，采用彈性材料進(jìn)行有限元分析時，僅設(shè)置材料的彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.28和密度為7 850 kg/m2。經(jīng)計算發(fā)動機前吊耳所受最大Mises應(yīng)力為90 MPa，小于Q345的屈服極限345 MPa，滿足要求；后吊耳所受最大Mises應(yīng)力為618 MPa，超出屈服極限和強度極限，不滿足要求。應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11彈性材料-優(yōu)化后發(fā)動機吊耳應(yīng)力云圖

3.2 非線性材料有限元分析

對優(yōu)化后的發(fā)動機吊耳采用非線性材料屬性進(jìn)行有限元分析，經(jīng)計算發(fā)動機前吊耳所受最大Mises應(yīng)力為90 MPa，前吊耳滿足要求；后吊耳所受最大Mises應(yīng)力為346.5 MPa，超過屈服極限345 MPa，但遠(yuǎn)小于強度極限470 MPa。其變形量最大值為4 mm，此變形量不會與周圍零部件發(fā)生干涉，滿足設(shè)計要求。應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖12非線性材料-優(yōu)化后發(fā)動機吊耳應(yīng)力云圖

主機廠采用優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝，發(fā)動機前后吊耳均無明顯變形，滿足要求。主機廠反饋情況與采用非線性材料的仿真結(jié)果一致，故證實采用非線性材料進(jìn)行有限元分析的準(zhǔn)確性。

僅采用材料的彈性階段屬性進(jìn)行有限元分析時，當(dāng)發(fā)動機吊耳所受應(yīng)力超過屈服極限后，其所產(chǎn)生的應(yīng)力均為虛假應(yīng)力，遠(yuǎn)大于發(fā)動機吊耳實際所受應(yīng)力，不具有實際參考價值。因此需要采用非線性的材料屬性進(jìn)行有限元分析，這樣得到結(jié)果更符合實際情況，有利于指導(dǎo)產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計。

發(fā)動機吊耳僅在廠內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)運和主機廠裝機時使用，在發(fā)動機全生命周期內(nèi)使用次數(shù)有限，當(dāng)其所受應(yīng)力超過屈服極限，但未達(dá)到強度極限時，且與周邊零部件不干涉的情況下，均可正常使用。采用非線性材料分析時，當(dāng)其應(yīng)力超過屈服極限，但未超過強度極限時，可參考其變形量是否會與周圍零部件干涉來判斷是否滿足要求。

4 結(jié)論

通過對某發(fā)動機吊耳的強度進(jìn)行有限元分析，可得到以下結(jié)論：

(1)采用彈性材料進(jìn)行有限元分析時，當(dāng)發(fā)動機吊耳所受應(yīng)力超過屈服極限后，其所產(chǎn)生的應(yīng)力均為虛假應(yīng)力，遠(yuǎn)大于發(fā)動機吊耳實際所受應(yīng)力，不具有實際參考價值。

(2)采用非線性材料屬性得到的有限元仿真結(jié)果與主機廠反饋情況一致，證實采用非線性材料進(jìn)行有限元分析的有效性。

(3)采用非線性材料分析時，當(dāng)其應(yīng)力超過屈服極限，但未超過強度極限時，可參考其變形量是否會與周圍零部件干涉來判斷發(fā)動機吊耳是否滿足要求。