某柴油機(jī)防護(hù)罩有限元模態(tài)分析及優(yōu)化

徐稼航，亓宗磊，袁 帥，郭 鑫

（濰柴動(dòng)力股份有限公司 進(jìn)出口公司，山東 濰坊 261000）

隨著航海工業(yè)的進(jìn)步，船用發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下的安全性和可靠性獲得了更多的重視。由于船用柴油機(jī)的使用環(huán)境通常比較惡劣，因此，常采用防護(hù)罩系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)件進(jìn)行保護(hù)，設(shè)計(jì)合理的船用柴油機(jī)防護(hù)罩能夠有效阻止惡劣環(huán)境對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的污染和損壞，同時(shí)具備良好的防雨防塵功能。不合理的船用柴油機(jī)防護(hù)罩可能產(chǎn)生諸如防護(hù)罩損壞、支撐柱斷裂或防護(hù)罩振動(dòng)過大及產(chǎn)生異響等問題。某船用柴油機(jī)防護(hù)罩存在振動(dòng)劇烈的問題，本文采用HyperMesh完成防護(hù)罩的前處理，使用ABAQUS對(duì)防護(hù)罩模態(tài)進(jìn)行校核，分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)過大的原因，并提出了一種優(yōu)化方案。優(yōu)化后的方案在滿足防護(hù)罩功能性的基礎(chǔ)上，還對(duì)防護(hù)罩的防護(hù)板和支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使本文的防護(hù)罩具有良好的模態(tài)特性。優(yōu)化后的防護(hù)罩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造型美觀，能夠滿足輕量化的需求的同時(shí)也滿足有限元分析對(duì)模態(tài)性能的要求。

本文的柴油機(jī)防護(hù)罩采用多點(diǎn)固定及支架固定，支架通過螺栓將防護(hù)罩殼體和機(jī)體固連，合理的支架布置能夠有效減少應(yīng)力集中，本文設(shè)計(jì)的柴油機(jī)防護(hù)罩使其安裝在機(jī)體上更牢靠穩(wěn)定。支架和防護(hù)罩之間安裝有減震墊，可有效減小由于震動(dòng)產(chǎn)生的噪音。如不安裝防護(hù)罩，柴油機(jī)在工作時(shí)，柴油機(jī)皮帶輪、發(fā)電機(jī)、惰輪等旋轉(zhuǎn)件存在發(fā)生卷入雜物而導(dǎo)致柴油機(jī)工作異常的風(fēng)險(xiǎn)。其次，為滿足柴油機(jī)對(duì)輕量化的需求，防護(hù)罩殼體采用鏤空結(jié)構(gòu)，鏤空結(jié)構(gòu)同時(shí)能夠觀察到輪系旋轉(zhuǎn)件內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 防護(hù)罩建模

為了貼合船用柴油機(jī)防護(hù)罩實(shí)際使用工況，使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，除了建立了柴油機(jī)防護(hù)罩有限元分析的模型外，還對(duì)與防護(hù)罩相連的部件完成了建模。船用柴油機(jī)防護(hù)罩殼體、支撐支架和連接板的材料均為Q235-A，其彈性模量為2.12×10N/m，泊松比為0.288，質(zhì)量密度為7.86×10kg/m。本文使用HyperMesh對(duì)柴油機(jī)防護(hù)罩、連接螺栓法蘭、支撐支架、連接板等完成前處理的網(wǎng)格劃分，使用ABAQUS完成防護(hù)罩模態(tài)計(jì)算，其中殼體為1.5 mm的殼單元結(jié)構(gòu)，其他部件為二階四面體網(wǎng)格，整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)防護(hù)罩

1.2 邊界條件和接觸定義

邊界條件是為了獲得求解區(qū)域物理問題的確定解的前提條件，對(duì)于任何ABAQUS模態(tài)或強(qiáng)度問題，都需要給定邊界條件，并且對(duì)于邊界條件的處理，會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的精度；本文在支撐支架周邊建立ENCASTRE邊界條件，約束支撐支架周邊所有的自由度。支撐支架周邊建立固定約束條件如圖2所示；模態(tài)計(jì)算時(shí)，不需要施加載荷，殼體與殼體、殼體與連接板、殼體與支撐支架接觸面之間均采用Tie連接，接觸定義如圖3所示。

圖2 邊界條件定義

圖3 接觸定義

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以得到船用6缸柴油機(jī)防護(hù)罩系統(tǒng)每一個(gè)階次的模態(tài)，通過對(duì)船用6缸柴油機(jī)防護(hù)罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可得出防護(hù)罩在易受影響的模態(tài)頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)特性，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的外部激勵(lì)頻率與其固有頻率相接近時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)易發(fā)生共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，影響柴油機(jī)防護(hù)罩的使用。因此，結(jié)合模態(tài)分析法和相關(guān)試驗(yàn)，可以避免柴油機(jī)防護(hù)罩發(fā)生共振，也可用于6缸柴油機(jī)防護(hù)罩系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。6缸發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的主要激勵(lì)源為點(diǎn)火激勵(lì)，點(diǎn)火激勵(lì)頻率為

式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；為缸數(shù)；為沖程數(shù)。

該4沖程6缸船用柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是2 000 r/min，故其最大點(diǎn)火頻率值為100 Hz。

如表1所示，6缸柴油機(jī)防護(hù)罩模態(tài)一階頻率數(shù)值為64.6 Hz，二階頻率數(shù)值為78.1 Hz，三階頻率數(shù)值為102.1 Hz，前三階如圖4—圖6所示，低于6缸柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速（2 000 r/min）下點(diǎn)火激勵(lì)頻率 的1.2倍，即120 Hz，防護(hù)罩模態(tài)不滿足要求，存在共振風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要對(duì)防護(hù)罩進(jìn)行改進(jìn)。

表1 防護(hù)罩前三階約束模態(tài)頻率

圖4 一階約束模態(tài)振型圖（64.6 Hz）

圖5 二階約束模態(tài)振型圖（78.1 Hz）

圖6 三階約束模態(tài)振型圖（102.1 Hz）

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)防護(hù)罩前三階振型有限元分析結(jié)果，對(duì)防護(hù)罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由于防護(hù)罩整體模態(tài)頻率數(shù)值較低，與常用轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火激勵(lì)相差較大，因此，需要增加6缸柴油機(jī)防護(hù)罩的整體模態(tài)頻率，本文將防護(hù)罩殼體的板厚由原方案的1.5 mm增加至2 mm，提升防護(hù)罩的整體剛度；其次根據(jù)防護(hù)罩系統(tǒng)模態(tài)振型增加支撐支架和連接板的數(shù)量。由防護(hù)罩一階模態(tài)振型可知，防護(hù)罩左側(cè)振型較大，因此，在防護(hù)罩左側(cè)增加一根支撐柱，加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)的剛度；通過對(duì)原方案二階、三階模態(tài)振型分析后，調(diào)整防護(hù)罩側(cè)板和上板之間的連接片的位置，加強(qiáng)防護(hù)罩上端結(jié)構(gòu)的剛度，優(yōu)化后的防護(hù)罩有限元模型如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的柴油機(jī)防護(hù)罩

3.2 優(yōu)化后結(jié)果

使用ABAQUS對(duì)優(yōu)化后的船用柴油機(jī)防護(hù)罩重新計(jì)算模態(tài)，圖8—圖10為優(yōu)化后的船用柴油機(jī)防護(hù)罩一到三階約束模態(tài)振型圖。優(yōu)化后的防護(hù)罩一階固有頻率值為120.93 Hz，二階固有頻率值為159.83 Hz，三階固有頻率值為169.67 Hz，可見合理地通過增加防護(hù)罩厚度，有效地提高了6缸柴油機(jī)防護(hù)罩整體模態(tài)頻率，6缸柴油機(jī)防護(hù)罩前三階模態(tài)大于120 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)分析6缸柴油機(jī)防護(hù)罩模態(tài)振型可知，通過增加防護(hù)罩左側(cè)的支撐柱結(jié)構(gòu)和調(diào)整側(cè)板和上板之間連接片的位置，6缸柴油機(jī)防護(hù)罩左部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的振型得到了顯著的優(yōu)化，證明優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)對(duì)6缸柴油機(jī)防護(hù)罩模態(tài)的改善有良好的效果。

圖8 優(yōu)化后一階約束模態(tài)振型圖（120.93 Hz）

圖9 優(yōu)化后二階約束模態(tài)振型圖（159.83 Hz）

圖10 優(yōu)化后三階約束模態(tài)振型圖（169.67 Hz）

4 結(jié)論

（1）通過應(yīng)用HyperMesh及ABAQUS軟件對(duì)存在振動(dòng)過大問題的船用發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)罩進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，結(jié)果表明，優(yōu)化前的船用柴油機(jī)防護(hù)罩前三階模態(tài)低于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)激勵(lì)頻率的1.2倍，模態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)存在缺陷，存在防護(hù)罩與發(fā)動(dòng)機(jī)共振的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，找出了發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)罩模態(tài)振型較大處進(jìn)行了加固，并增加了防護(hù)罩殼體厚度，提高了防護(hù)罩強(qiáng)度，優(yōu)化了防護(hù)罩結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的船用柴油機(jī)防護(hù)罩一階固有頻率值為120.93 Hz，高于柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速（2 000 r/min）下點(diǎn)火激勵(lì)頻率的1.2倍，即120 Hz，優(yōu)化后防護(hù)罩模態(tài)滿足要求。