油底殼飛石沖擊分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

史文軍

摘要：為實現(xiàn)油底殼輕量化，本文設(shè)計了一款質(zhì)輕、低成本的油底殼。首先通過Pro/E對油底殼進(jìn)行有限元建模，再利用Abaqus對油底殼模型進(jìn)行飛石沖擊分析，根據(jù)飛石沖擊分析結(jié)果，提出增加加強筋高度的優(yōu)化方案。優(yōu)化后的油底殼結(jié)構(gòu)滿足飛石沖擊測試要求，且相比沖壓鋼板油底殼，本文設(shè)計的油底殼整體質(zhì)量減輕59%，實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

Abstract： In order to realize the light weight of the oil pan， a light and low cost oil pan is designed. Firstly， the finite element modeling of the oil pan is carried out through Pro/E， and then the stone impact analysis is performed on the oil pan model using Abaqus. Based on the stone impact analysis results， an optimization plan for increasing the height of the ribs is proposed. The optimized oil pan structure meets the requirements of the stone impact test， and compared with the stamped steel oil pan， the overall mass of the oil pan designed is reduced by 59%， and the light weight design is realized.

關(guān)鍵詞：油底殼;輕量化;飛石沖擊

0? 引言

汽車輕量化（Light Weight of Automobile）是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向之一，也是一個汽車廠商和國家技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志[1]。汽車輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整車質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染[2]。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流[3]。以塑代鋼是汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展方向[4]。

目前，大多數(shù)發(fā)動機油底殼基本采用常規(guī)化設(shè)計，采用沖壓或者鑄造工藝成型，無輕量化及降噪措施，在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上存在不足。例如金屬油底殼通常重量較大，制造成本較高，噪音明顯，并且加工尺寸精度較低，外觀粗糙塑料。此外金屬油底殼采用紙基密封，密封材料易磨損而造成泄漏;SMC復(fù)合材料油底殼結(jié)構(gòu)受模壓成型工藝限制，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求比較簡單，且材料不能回收循環(huán)使用，尼龍玻纖增強材料具有強度高、密度小、熱膨脹系數(shù)小以及尺寸、穩(wěn)定性好等特點。該材料在油底殼上的應(yīng)用將會越來越廣泛。本文以某款輕型發(fā)動機尼龍玻纖增強材料油底殼開發(fā)為例，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化進(jìn)行簡要闡述。

1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元模型建立

1.1 油底殼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介? 本文根據(jù)某型號國產(chǎn)汽車發(fā)動機的整車邊界條件、油底殼出油量和安裝點位置，設(shè)計了一款質(zhì)輕、低成本油底殼，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：殼體1、橡膠密封墊2和金屬嵌件3。殼體1包括深槽區(qū)和淺槽區(qū)，深槽區(qū)和淺槽區(qū)的底面通過一斜面連接，深槽區(qū)和淺槽區(qū)的安裝面為同一平面，且安裝面和地面相對。深槽區(qū)的側(cè)面設(shè)有加熱器孔，加熱器孔中安裝有機油加熱裝置。殼體1的安裝面具有密封槽，密封槽中安裝有隨形的I型橡膠密封墊2，以保證油底殼的密封性。在密封槽外側(cè)設(shè)置有16個通孔，兩長邊各均勻分布8個，兩短邊各分布3個。每個通孔中固定有金屬嵌件3，每個金屬嵌件3采用冷插工藝，通過過盈配合固定。殼體1的外表面上設(shè)有加強筋。相鄰加強筋[5-6]的中心距為8mm，每個加強筋的厚度為2mm，平行分布。殼體1采用玻纖增強PA66注塑成型，結(jié)構(gòu)簡單，因此制造成本低，易成型且質(zhì)輕。使用橡膠密封墊代替常規(guī)的紙基密封墊，利用橡膠的彈性保證殼體與缸體的氣密性，由于橡膠具有良好的耐磨性，油底殼拆卸后橡膠密封墊可循環(huán)使用。加強筋的設(shè)計保證了殼體的耐沖擊性和高強度。

1.2 有限元模型的建立? 該油底殼采用注塑一體成型，采用尼龍玻纖增強PA66材料，材料力學(xué)參數(shù)為：彈性模量6388Mpa，泊松比0.33，密度1.41kg/m3，材料允許最大破壞應(yīng)力115Mpa。在Pro/E中創(chuàng)建發(fā)動機油底殼三維實體模型。由模型計算可得油底殼的質(zhì)量為2.2kg。利用Abaqus軟件對生成模型采用曲率法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該油底殼的有限元模型由大約48萬個二階四面體單元組成。

2? 飛石沖擊分析

2.1 邊界條件? 整個油底殼通過裝配螺栓固定所有安裝點，沖擊錘定義為不可變形的剛體，剛性沖擊錘以39.8km/h的沖擊速度，12J的沖擊能量，垂直撞擊油底殼外表面指定位置。接受準(zhǔn)則為油底殼內(nèi)部本體無裂紋，加強筋允許有裂紋。剛性沖擊錘模型見圖2，沖擊直徑為40mm，沖擊質(zhì)量為0.2kg。沖擊位置為油底殼深槽區(qū)端部外側(cè)立面和深槽區(qū)和淺槽區(qū)之間的斜面外側(cè)，見圖3和圖4。

2.2 分析結(jié)果

油底殼深槽區(qū)端部外側(cè)立面內(nèi)部和外部加強筋均出現(xiàn)裂紋失效，不符合接受準(zhǔn)則，沖擊結(jié)果見圖5。深槽區(qū)和淺槽區(qū)之間的斜面內(nèi)部無失效，加強筋出現(xiàn)裂紋失效，符合接受準(zhǔn)則，沖擊結(jié)果見圖6。鑒于此，建議將油底殼的深槽區(qū)端部立面外殼厚度增加1mm，或?qū)⒂偷讱ど畈蹍^(qū)端部立面外部加強筋的厚度增加2-3mm。

3? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和飛石沖擊分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)油底殼的飛石沖擊分析結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)實際確定以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：增加油底殼外部6條加強筋（深槽區(qū)外端兩側(cè)各3條）高度，由7mm增加至9mm，加強筋頂部厚度減小到2mm。對優(yōu)化后的油底殼模型重新進(jìn)行飛石沖擊分析。

3.2 分析結(jié)果

優(yōu)化后沖擊結(jié)果如圖7所示，結(jié)果顯示，在12J沖擊能量下，油底殼加強筋發(fā)生裂紋，但油底殼內(nèi)部無裂紋，因此油底殼在該條件下是安全的。這主要是因為與以前的設(shè)計相比，優(yōu)化后的油底殼的加強筋高度增加了，提高了油底殼外壁的抗沖擊性能，而加強筋頂部的厚度減小，可以確保加強筋盡可能的吸收沖擊能量。

4? 結(jié)論

對油底殼進(jìn)行飛石沖擊分析，并根據(jù)飛石沖擊分析結(jié)果，采取增加加強筋高度的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足飛石沖擊測試要求。優(yōu)化后的油底殼相比沖壓鋼板油底殼整體質(zhì)量減輕59%，實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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