某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油標(biāo)尺管開裂原因及對策分析

吳江

摘要：以某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油標(biāo)尺管為研究對象，針對其臺(tái)架耐久試驗(yàn)中產(chǎn)生的疲勞裂紋，基于其斷口形貌初步確定裂紋源，再通過ABAQUS和FEMFAT軟件進(jìn)行裂紋源應(yīng)力及壽命分析，為后樣件試作和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證提供優(yōu)化方案，有效節(jié)省了對策驗(yàn)證的周期和成本，同時(shí)也通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析模型和計(jì)算方法的可靠性和有效性。

關(guān)鍵詞：機(jī)油標(biāo)尺管;開裂;應(yīng)力;疲勞壽命

Abstract： As for the fatigue crack of engine oil charging pipe in vibration bench test， the initial source was identified based on fracture appearance， and then the finite element analysis was conducted with the software of ABAQUS and FEMFAT in order to find the optimized countermeasure for producing and validation afterwards， including the stress and fatigue lifetime prediction， which can obviously reduce the leading time and cost. On the other hand， the test result can also validate the reliability and effectiveness of our FEM model and simulation method.

Key words： oil charging pipe;crack;stress;fatigue lifetime

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用機(jī)油液位指示器來確定油底殼內(nèi)的機(jī)油量，由于機(jī)油標(biāo)尺具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)勢，因此在國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)上普遍采用。機(jī)油標(biāo)尺一般通過與機(jī)油標(biāo)尺管配合使用，來完成對發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼內(nèi)液面的指示[1]。為對應(yīng)某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油標(biāo)尺管在開發(fā)耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的支架開裂課題，針對原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)改善，通過優(yōu)化支架加強(qiáng)筋或者變更支架材質(zhì)，來提升其耐久壽命。本文利用ABAQUS和FEMFAT有限元仿真分析為手段，結(jié)合現(xiàn)有疲勞壽命研究理論基礎(chǔ)[2]，針對發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油標(biāo)尺管潛在改善方案在振動(dòng)耐久條件下的壽命進(jìn)行分析，來判斷改善后的樣件能否滿足性能要求，尋求優(yōu)化的改善方案。

1? 課題及改善方向

在某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油標(biāo)尺管開發(fā)階段的振動(dòng)耐久試驗(yàn)中，其支架轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)疲勞開裂，如圖1左所示，根據(jù)斷口形貌特征（圖1右），初步斷定裂紋源為位置①和位置②。位置①為支架中間筋位置（主要裂紋源），位置②為R角位置，需要進(jìn)行對策。

為改善其疲勞耐久性能，通過優(yōu)化支架處的加強(qiáng)筋形狀和變更支架材料兩個(gè)方向進(jìn)行改善，分別制定了KAI-1（優(yōu)化加強(qiáng)筋形狀）和KAI-2（變更支架材質(zhì)）兩種可選的改善方向，在實(shí)施臺(tái)架耐久前利用ABAQUS和FEMFAT軟件針對改善方案進(jìn)行應(yīng)力和耐久壽命的評(píng)估，從而選取最有效的對策方案進(jìn)行驗(yàn)證。

2? 機(jī)油標(biāo)尺管振動(dòng)有限元分析

2.1 CAE分析模型對標(biāo)

為了驗(yàn)證CAE分析模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和有效性，先通過測試機(jī)油標(biāo)尺管支架斷口1和2位置在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配狀態(tài)下，模擬整車前后方向振動(dòng)試驗(yàn)條件的位移和應(yīng)變，按照實(shí)際的材料彈性模量換算成應(yīng)力值，再與ABAQUS軟件平臺(tái)分析受拉和受壓兩種狀態(tài)下的應(yīng)力值進(jìn)行對比，通過其差值來預(yù)估模型的計(jì)算精度。（圖2、圖3）

表1為標(biāo)尺管支架CAE計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測值的對比結(jié)果，可以看出在受壓和受拉兩種狀態(tài)下位置1和2的應(yīng)力仿真精度值均在可接受范圍內(nèi)，可初步斷定計(jì)算模型的準(zhǔn)確性有參考價(jià)值，基于模型計(jì)算結(jié)果可以預(yù)測改善樣件的振動(dòng)試驗(yàn)表現(xiàn)。

2.2 疲勞壽命分析

按如下步驟進(jìn)行分析：步驟1：進(jìn)行初始預(yù)緊力分析，設(shè)定加注管支座的約束條件：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體斷面固定，初始載荷條件為支架螺栓初始扭力值，從而計(jì)算支座初始預(yù)應(yīng)力;步驟2：基于計(jì)算所得的支座初始預(yù)應(yīng)力，按照表2所示3個(gè)載荷工況（振動(dòng)掃頻試驗(yàn)中出現(xiàn)的振動(dòng)幅值）計(jì)算累計(jì)的疲勞壽命安全系數(shù)，安全系數(shù)小于1代表臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)中加注管支架薄弱位置存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

按照上述設(shè)定條件針對改善方案KAI-1和KAI-2在FEMFAT平臺(tái)上進(jìn)行疲勞壽命分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可以看出兩者的安全系數(shù)均大于1，但是KAI-1方案在位置2的安全系數(shù)接近于1，考慮模擬計(jì)算的精度，仍存在振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)裂紋的可能性，同時(shí)考慮KAI-2方案并未增加零件成本，建議按照改善方案KAI-2進(jìn)行后續(xù)推進(jìn)。

3? 機(jī)油標(biāo)尺管改善方案臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

以改善方案KAI-2進(jìn)行了樣件試作，并按照發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)耐久的條件進(jìn)行了改善效果驗(yàn)證，試驗(yàn)后的樣件經(jīng)過無損探傷檢測后確認(rèn)無裂紋產(chǎn)生，課題解決。

4? 結(jié)論

以某發(fā)動(dòng)機(jī)用機(jī)油標(biāo)尺管為研究對象，基于ABAQUS和FEMFAT平臺(tái)對各改善方案在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布及耐久壽命進(jìn)行了模擬分析和計(jì)算。分析結(jié)果表明：①各改善方案在原斷裂位置的疲勞耐久壽命均有提升，KAI-1和KAI-2在重點(diǎn)位置的疲勞壽命安全系數(shù)均大于1;②改善方案KAI-1在位置2疲勞壽命安全系數(shù)接近于1，考慮計(jì)算偏差，判斷仍存在試驗(yàn)中出現(xiàn)裂紋的可能性;改善方案KAI-2疲勞壽命安全系數(shù)在2以上，判斷問題無。

最后，KAI-2方案經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)后無裂紋產(chǎn)生，改善有效，也驗(yàn)證了我們有限元分析的可靠性，節(jié)省了改善方案重復(fù)驗(yàn)證的周期和成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪偉，龐淑娟.關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油標(biāo)尺設(shè)計(jì)的探討[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2012（4）.

[2]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].華中科技大學(xué)出版社，2002.