某船用發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器螺栓斷裂故障分析及優(yōu)化

摘要：本文利用Hypermesh對(duì)某船用發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器系統(tǒng)進(jìn)行前期的網(wǎng)格處理，用Abaqus結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)處理好的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)及強(qiáng)度計(jì)算分析。文中先對(duì)產(chǎn)生故障的某船用發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，找出故障原因，再根據(jù)故障分析結(jié)果對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。最終通過(guò)給該系統(tǒng)增加輔助支撐的方式，提高了中冷器系統(tǒng)頻率，使其高于特殊零部件的校核標(biāo)準(zhǔn)，取得了較好的效果，從而有效解決了因發(fā)動(dòng)機(jī)共振引起的故障。

關(guān)鍵詞：中冷器系統(tǒng);模態(tài)分析;靜強(qiáng)度分析;面壓;滑移量

Abstract： In this paper， a Marine engine intercooler system was processed with the Hypermesh in the early stage， and the model and strength of the processed engine intercooler system were calculated and analyzed with the Abaqus structure simulation software.In this paper， the fault analysis of a Marine engine system is carried out to find out the cause of the fault， and then the structure of the system is optimized according to the results of the fault analysis.Finally， by adding auxiliary support to the system， the frequency of the intercooler system is increased， making it higher than the checking standard of special parts， and good results are obtained， thus effectively solving the fault caused by engine resonance.

Key words： inter-cooled systems;thermal modal analysis;static strength analysis;surface pressure;slip

0? 引言

中冷器系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)上非常重要的系統(tǒng)，它的主要功能是將經(jīng)過(guò)增壓器壓縮的空氣的溫度降低再提供給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，從而提升功率和降低油耗。因此，中冷系統(tǒng)的工作可靠性是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)重要影響因素。本文主要利用Abaqus[1]結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)和靜強(qiáng)度分析，為解決故障提供優(yōu)化方向和改進(jìn)驗(yàn)證，提高了中冷器系統(tǒng)的可靠性，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

1? 故障問(wèn)題

我公司配套的某型號(hào)船用發(fā)動(dòng)機(jī)，出現(xiàn)中冷器螺栓斷裂的問(wèn)題。最初為中冷器支架螺栓斷裂，更換較高強(qiáng)度的螺栓后，中冷器本身的螺栓斷裂，故障圖片如圖1和圖2所示。經(jīng)分析為中冷器本身質(zhì)量較重，整個(gè)系統(tǒng)模態(tài)較低，與發(fā)動(dòng)機(jī)本身的振動(dòng)頻率產(chǎn)生共振的原因造成的故障。

通過(guò)對(duì)該中冷器系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)及強(qiáng)度分析，增加輔助支撐，以提高整個(gè)系統(tǒng)的頻率，使其避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火激勵(lì)頻率。優(yōu)化后的方案已進(jìn)行市場(chǎng)驗(yàn)證，至今未出現(xiàn)過(guò)故障。

2? 故障分析及結(jié)論

2.1 中冷器系統(tǒng)建模

對(duì)中冷器系統(tǒng)進(jìn)行前處理及模型搭建，發(fā)動(dòng)機(jī)中冷系統(tǒng)原方案的三維模型如圖3所示，系統(tǒng)部件材料相關(guān)屬性如表1所示，中冷器質(zhì)量屬性如表2所示。

對(duì)中冷器、支架及飛輪殼等相關(guān)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型中網(wǎng)格均為二階四面體網(wǎng)格，最終得到中冷器系統(tǒng)的有限元模型[2]如圖4所示。

2.2 接觸及邊界條件

在對(duì)中冷系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)中各部件間建立TIE連接，系統(tǒng)接觸情況定義如圖5所示。進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，對(duì)飛輪殼與機(jī)體相連的螺栓孔進(jìn)行六個(gè)自由度的限制，如圖6所示。

2.3 原方案中冷系統(tǒng)模態(tài)結(jié)果分析

原方案中冷器系統(tǒng)約束模態(tài)[3、4]計(jì)算分析結(jié)果如表3所示，一階振型圖如圖7所示。

該中冷器系統(tǒng)約束模態(tài)一階頻率為27Hz，低于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（2100rpm）下點(diǎn)火激勵(lì)，且二、三階頻率落在了發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速（1000-1600rpm）對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火激勵(lì)（50-80Hz），推斷共振是引起螺栓斷裂的原因，需對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)原方案的一階約束模態(tài)振型圖進(jìn)行分析，確定新方案的優(yōu)化方向，通過(guò)在中冷器后端面增加輔助支架結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)剛度，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 仿真驗(yàn)證

完成優(yōu)化方案三維建模后，利用Abaqus軟件對(duì)增加輔助支架的中冷系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析和靜強(qiáng)度計(jì)算分析。

優(yōu)化后方案的前三階頻率如表4所示，一階振型圖如圖9所示。

從表4中的計(jì)算結(jié)果可以看出增加了輔助支架后的系統(tǒng)一階約束模態(tài)的頻率數(shù)值由原本的27Hz提高到了97Hz，結(jié)果表明優(yōu)化后的中冷系統(tǒng)在剛度上得到了明顯提高，且避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速的點(diǎn)火激勵(lì)頻率，降低了中冷系統(tǒng)的共振風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)輔助支架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，中冷器輔助支架在六向沖擊作用下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在Right方向上，為85MPa。二中冷器輔助支架的材料為QT400，其屈服強(qiáng)度為250MPa，遠(yuǎn)高于輔助支架所受的應(yīng)力85MPa，因此輔助支架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算結(jié)果如表5所示，輔助支架的應(yīng)力分布云圖如圖10所示。

施加螺栓預(yù)緊力作用下，中冷器輔助支架與壓緊塊、中冷器間的接觸面，面壓連續(xù)無(wú)間斷，面壓滿足設(shè)計(jì)要求，輔助支架接觸面滑移量最大值為0.048mm，小于滑移量限值，滑移量滿足設(shè)計(jì)要求?；屏坑?jì)算結(jié)果如圖11所示。

4? 結(jié)論

本文是針對(duì)某船用發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器螺栓斷裂故障，利用Hypermesh和Abaqus對(duì)該中冷器系統(tǒng)故障進(jìn)行模態(tài)及靜強(qiáng)度分析，認(rèn)為出現(xiàn)故障的主要原因是中冷器系統(tǒng)的固有頻率較低，與發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速發(fā)生共振。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)中冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)增加輔助支架，提高了系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的固有頻率，并通過(guò)仿真手段驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性，在之后的市場(chǎng)驗(yàn)證中未再出現(xiàn)該故障。

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