某發(fā)動機運輸支架仿真分析及優(yōu)化

高新貝 袁帥 李艷君 徐稼航 時培偉

摘要： 針對某型發(fā)動機運輸支架存在的強度安全問題，提出相應(yīng)的改進優(yōu)化方案。利用HyperMesh和ABAQUS有限元軟件對運輸支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行仿真分析，并主要從靜強度、滑移量、面壓三方面對其進行評估，計算結(jié)果表明該優(yōu)化方案均可滿足設(shè)計要求。通過對運輸支架結(jié)構(gòu)的仿真研究分析，可為支架類部件設(shè)計提供一定的參考意義和技術(shù)指導，并且有效縮短了研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本。

Abstract： Aiming at the strength safety problem of a certain type of engine transport bracket， the corresponding improvement and optimization scheme is proposed. Finite element software HyperMesh and ABAQUS were used to simulate and analyze the structure of transportation bracket system. It is evaluated from three aspects， such as static strength， slip amount and surface pressure， and the calculation results show that the optimization scheme can meet the design requirements. Through the simulation research and analysis of transport bracket structure， it can provide a certain reference significance and technical guidance for the design of support components， and effectively shorten the research and development cycle and save the research and development cost.

關(guān)鍵詞： 運輸支架;HyperMesh;有限元;靜強度

Key words： transportation bracket;HyperMesh;finite element;static strength

中圖分類號：S219.031 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0058-03

0 ?引言

隨著社會的發(fā)展進步，各類重型卡車、大型漁船、商業(yè)游艇等廣泛應(yīng)用在社會的各個領(lǐng)域，而發(fā)動機作為其動力源是不可或缺的重要部件[1]。發(fā)動機在生產(chǎn)完成后往往需要運輸?shù)街付ㄑb配廠進行整機裝配再出廠銷售，所以大型發(fā)動機組的運輸問題成為一個值得思考的方向。運輸支架作為發(fā)動機組運輸過程中的主要承重部件通常需要被牢牢固定在包裝箱底板上[2]，同時還要承受在運輸過程中由于加速、減速、上下坡、轉(zhuǎn)彎等因素產(chǎn)生的慣性力和離心力，并且動力總成尺寸和重量較大，由此可見支架在運輸中受到的載荷情況較為復雜，運輸支架是否滿足設(shè)計要求對發(fā)動機組的運輸安全有著至關(guān)重要的作用。為保證在各種運輸工況下發(fā)動機組的安全性，運輸支架的強度及面壓滑移量等必須達到行業(yè)標準要求。

隨著計算機硬件和數(shù)值仿真的快速發(fā)展，有限元計算軟件逐步成為我們研究工程科學的工具和橋梁，由于對計算精度要求的不斷提高，各種基于數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域[3]，已有眾多研究者利用有限元分析方法對支架類零部件進行結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計[4，5]。ABAQUS是公認的最好的CAE大型通用軟件之一，具有強健的計算功能和廣泛的模擬性能，并擁有大量不同類型的單元模型、材料模型和分析過程等[6]。HyperMesh是高性能的前后處理軟件，能夠快速自動地生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，并提供網(wǎng)格質(zhì)量跟蹤檢查、修改模型等功能[7]。

本文利用有限元軟件HyperMesh對運輸支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分及材料屬性設(shè)置，設(shè)置完成后提交 ABAQUS求解器求解。針對運輸支架中存在的問題，結(jié)合材料屬性和實際運輸工況提出一種優(yōu)化改進方案，并通過有限元軟件HyperMesh和ABAQUS進行仿真分析，對優(yōu)化前后的運輸支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從靜強度、面壓和滑移量等方面進行評估校核，通過對兩種方案的仿真計算結(jié)果對比可以看出，優(yōu)化后的運輸支架及懸置支架結(jié)構(gòu)的靜強度得到明顯的提高，并且面壓和滑移量也均滿足了設(shè)計要求。

1 ?有限元模型

1.1 運輸支架有限元模型

發(fā)動機運輸支架系統(tǒng)外形圖如圖1所示，主要包括運輸支架、發(fā)動機懸置支架、連接螺栓組等。其中，運輸支架采用材料Q235-A，支架底板厚度為5.5mm，發(fā)動機懸置支架采用材料QT450，螺栓為M16型號10.9級，材料為45號鋼。各部件的具體材料屬性如表1所示。

運輸支架系統(tǒng)有限元模型如圖2所示，利用有限元軟件HyperMesh對該模型結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分和賦予材料，對運輸支架關(guān)鍵區(qū)域如支架焊縫處、支架折彎處等細化網(wǎng)格。其中，運輸支架和發(fā)動機懸置支架均采用二階四面體單元，連接螺栓組采用二階六面體單元，考察件運輸支架平均網(wǎng)格大小為3mm，非考察件網(wǎng)格大小為4-6mm，整個運輸支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型共有1315394個單元，328525個節(jié)點。

1.2 邊界條件及載荷定義

邊界條件是指在求解區(qū)域邊界上所求解的變量或其導數(shù)隨時間和地點的變化規(guī)律[8]，對有限元計算來說總結(jié)為一句話就是解微分方程，而解方程就要引入一定的條件，這些附加條件稱為定解條件，即對計算邊界進行設(shè)定參數(shù)數(shù)值，邊界條件的處理直接影響計算結(jié)果的精度。根據(jù)運輸支架、發(fā)動機懸置支架、發(fā)動機機體及螺栓之間的裝配關(guān)系，進行相關(guān)接觸設(shè)置及邊界條件定義。

模型接觸定義及邊界條件定義如圖3所示。為了簡化計算量提高計算速度，將發(fā)動機機體等效為圖中RP-1的質(zhì)量點及質(zhì)心參考點，與懸置支架處的螺栓孔采用 “Coupling”耦合連接;螺紋與運輸支架、墊塊與運輸支架處采用 “Tie”形式連接;螺栓與懸置支架、懸置支架與運輸支架之間采用 “Contact”形式連接，接觸屬性為切向?qū)傩?，摩擦系?shù)設(shè)置為0.15。另外，在進行靜強度計算時，還需要對各個螺栓施加預緊力及六向靜力沖擊載荷，結(jié)合發(fā)動機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運輸工況條件，在X向（縱向）和Y向（橫向）上施加1倍的重力加速度沖擊載荷，Z向（豎直方向）上施加2倍的重力加速度沖擊載荷。

2 ?有限元計算結(jié)果分析

2.1 靜強度分析

該結(jié)構(gòu)模型經(jīng)HyperMesh軟件前處理后提交到ABAQUS對其進行求解計算，在各向沖擊工況下，運輸支架及發(fā)動機懸置支架的應(yīng)力計算結(jié)果數(shù)值如表2所示。

由計算結(jié)果數(shù)值可以看出，發(fā)動機懸置支架在各向沖擊工況下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值為503.89MPa，高于所應(yīng)用材料QT450的屈服極限310MPa，靜強度不滿足設(shè)計要求;運輸支架在各向沖擊工況下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值為716.65MPa，高于所應(yīng)用材料Q235-A的屈服極限235MPa，靜強度不滿足設(shè)計要求。由計算數(shù)值可以看出，運輸支架在左向（+Y向）沖擊工況下的應(yīng)力值較大，其在左向沖擊下應(yīng)力分布云圖如圖4所示，灰色區(qū)域表示該處應(yīng)力值超限，部件將會發(fā)生塑性變形，所以不滿足設(shè)計要求，在優(yōu)化設(shè)計時需要對其進行改進。

2.2 面壓、滑移結(jié)果分析

在有限元分析過程中，需要對運輸支架與發(fā)動機懸置支架的接觸面間接觸壓力及滑移量進行計算分析，運輸支架和發(fā)動機懸置支架之間通過螺栓進行連接，在螺栓處施加最小螺栓預緊力。通過對運輸支架與發(fā)動機懸置支架間接觸面進行面壓、滑移量計算，從滑移量計算結(jié)果來看，運輸支架與發(fā)動機懸置支架之間接觸面間的滑移量最大值為0.447mm，高于0.1mm的限值要求，螺栓連接可靠性不滿足設(shè)計要求。從面壓計算結(jié)果可得，運輸支架處的螺栓孔附近面壓不連續(xù)，存在零面壓區(qū)域，面壓不滿足設(shè)計要求?？傮w來看，該結(jié)構(gòu)模型的靜強度及面壓、滑移量均不滿足設(shè)計要求，不可用于運輸發(fā)動機，需要對其進行優(yōu)化改進。

3 ?優(yōu)化設(shè)計及校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)運輸支架及發(fā)動機懸置支架的計算結(jié)果，應(yīng)力主要集中在支架的焊縫區(qū)域，并且從應(yīng)力分布云圖看出底板處有應(yīng)力穿透現(xiàn)象，這是由于運輸支架是焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫在載荷作用下更容易發(fā)生破壞，針對這些問題進行優(yōu)化改進，在前述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加厚底板，由5.5mm增加到15mm，還在運輸支架兩側(cè)增加了加強筋，在飛輪殼端的兩個運輸支架上還增加了鋼帶，并且每個運輸支架的底板背面在原來基礎(chǔ)上增加兩個定位孔，所用材料與前述一致，優(yōu)化后的運輸支架系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)圖和有限元模型如圖5所示。

3.2 結(jié)構(gòu)強度校核

利用同樣的計算方法對優(yōu)化后的運輸支架及發(fā)動機懸置支架進行靜強度分析，其在六向沖擊工況下的應(yīng)力計算結(jié)果數(shù)值如表3所示。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，發(fā)動機懸置支架在各向沖擊工況下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值為137.95MPa，低于所應(yīng)用材料QT450的屈服極限310MPa，靜強度滿足設(shè)計要求;發(fā)動機運輸支架在各向沖擊工況下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值為100.67MPa，低于所應(yīng)用材料Q235-A的屈服極限235MPa，靜強度滿足設(shè)計要求。由此可得，兩支架經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其最大Mises應(yīng)力值都得到了較大改善，運輸支架在左向沖擊工況下Mises應(yīng)力分布云圖如圖6所示，由圖可以看出該結(jié)構(gòu)不存在應(yīng)力超限的灰色區(qū)域，滿足設(shè)計要求。

同樣對該支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行面壓、滑移量校核，面壓計算結(jié)果顯示，運輸支架與發(fā)動機懸置支架之間螺栓壓緊區(qū)域均勻、連續(xù)、無間斷，面壓滿足設(shè)計要求。從滑移量計算結(jié)果來看，運輸支架與發(fā)動機懸置支架接觸面間的滑移量最大值為0.07mm，低于0.1mm的限值要求，滿足設(shè)計要求。所以，該結(jié)構(gòu)的面壓、滑移量經(jīng)過優(yōu)化改進也均滿足了設(shè)計要求。

4 ?結(jié)論

本文主要針對運輸支架不滿足設(shè)計要求的問題，結(jié)合實際運輸工況進行相對應(yīng)的改進設(shè)計，主要利用有限元軟件HyperMesh和ABAQUS對兩種方案進行仿真校核，通過對比分析兩種方案的計算結(jié)果可以看出，發(fā)動機懸置支架的最大Mises應(yīng)力值由503.89MPa降低到137.95MPa，運輸支架的最大Mises應(yīng)力值由716.65MPa降低到100.67MPa，由此可見兩支架的靜強度都得到了有效的提高，均符合了行業(yè)標準要求;優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的滑移量最大值由0.447mm降低為0.07mm，低于0.1mm的限值要求，螺栓連接可靠性滿足設(shè)計要求，并且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的面壓也滿足了設(shè)計要求?？傊瑑?yōu)化后的運輸支架系統(tǒng)均符合行業(yè)標準，可用于發(fā)動機運輸。在零部件開發(fā)設(shè)計階段，有限元仿真設(shè)計可大大避免試驗環(huán)節(jié)造成的物料浪費，節(jié)省研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，本文對運輸支架的優(yōu)化設(shè)計可對支架部件類的性能提升和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

參考文獻：

[1]付攀峰，王冉.汽車發(fā)動機懸置支架強度分析[A].河南省科學技術(shù)協(xié)會.第十四屆河南省汽車工程科技學術(shù)研討會論文集

[C].河南省科學技術(shù)協(xié)會：河南省汽車工程學會，2017：5.

[2]徐伯起，盧明章，李高春，李金飛，王玉峰.公路運輸振動環(huán)境下發(fā)動機粘接界面受載情況分析[J].裝備環(huán)境工程，2021，18（09）：20-26.

[3]董志遠，蒙世崇.基于發(fā)動機懸置支架設(shè)計及模態(tài)、動剛度、強度分析方法[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（11）：33-35.

[4]郝大亮，高志彬，陳守佳，蔣紅敏.某工程車發(fā)動機支架開裂問題研究與改進[J].常熟理工學院學報，2021，35（02）：24-26，34.

[5]李得志，劉釗賓，楊茵，肖勇，邢首辰，張露云.某發(fā)動機后處理系統(tǒng)安裝支架有限元分析與優(yōu)化[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2021，48（01）：32-34，39.

[6]宿曉峰，付平，丁忠軍，李德威，楊明飛.基于Abaqus軟件的輪胎有限元模型建立及仿真分析[J].橡膠工業(yè)，2019，66（02）：121-127.

[7]王書賢，薛棟，陳世淋，高帥.基于HyperMesh的某轎車白車身模態(tài)和剛度分析[J].重慶理工大學學報（自然科學），2019，33（07）：50-57.

[8]王瑞，胡志平，任翔，李芳濤，溫馨.2.5D有限元建模關(guān)鍵問題——邊界條件、網(wǎng)格劃分及計算域選取[J].振動工程學報，2021，34（01）：80-88.