某柴油機(jī)發(fā)電機(jī)支架有限元分析及優(yōu)化

亓宗磊

摘要：本文是基于有限元分析方法對某柴油發(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行仿真分析，從模態(tài)、靜強(qiáng)度和疲勞安全系數(shù)三個方面進(jìn)行校核。計算結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)支架的可靠性滿足設(shè)計要求且擁有較大的安全裕度。因此，結(jié)合計算結(jié)果對支架進(jìn)行輕量化設(shè)計，由原先的8.1kg減至4.9kg，優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架滿足設(shè)計要求。

Abstract： In this paper， the finite element analysis is used to simulate the generator bracket of a diesel engine and check it from three aspects： modal， static strength and safety fatigue coefficient. The calculation results show that the reliability of the generator bracket meets the design requirements， and the generator bracket has a large security margin. Therefore， the light weight design of the bracket is carried out based on the calculation results. The mass of generator bracket is reduced from the original 8.1kg to 4.9kg， and the optimized generator bracket meets the design requirements.

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)支架;有限元分析;可靠性

Key words： generator bracket;finite element analysis;reliability

0 ?引言

發(fā)電機(jī)支架是發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵支撐件，其可靠性直接影響發(fā)電機(jī)能否正常工作。因此發(fā)電機(jī)支架設(shè)計的優(yōu)劣尤為重要。就零部件結(jié)構(gòu)來說，在確保可靠性的同時，要盡可能的減小零部件質(zhì)量，從而降低成本。應(yīng)用有限元分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)險預(yù)測，能夠縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，已成為工程行業(yè)廣泛應(yīng)用的主要手段[1]。

在本文中，因柴油機(jī)的整車布置發(fā)生變化，重新設(shè)計了發(fā)電機(jī)支架。用HYPERMESH[2]建立發(fā)電機(jī)支架的有限元模型，通過有限元軟件ABAQUS[3-5]對發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析和靜強(qiáng)度分析，將ABAQUS分析結(jié)果導(dǎo)入疲勞分析軟件FEMFAT，進(jìn)行了疲勞性能分析，得到了其最小疲勞安全系數(shù)。發(fā)電機(jī)支架的可靠性滿足要求且擁有較大的安全裕度，但重量較大。因此，根據(jù)計算結(jié)果對發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架重量減小3.2kg，且可靠性完全滿足設(shè)計要求。

1 ?有限元建模

為了接近實(shí)際情況，分析的模型除了發(fā)電機(jī)支架外，還包括周邊與之相連的相關(guān)部件，主要包括發(fā)電機(jī)支架、發(fā)電機(jī)、連接螺栓、法蘭、部分齒輪室、油泵及油泵輔助支架等。使用HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖1所示。發(fā)電機(jī)支架的材料為QT450，其屈服強(qiáng)度為310MPa，抗拉強(qiáng)度為450MPa。

模型的參考坐標(biāo)系為：發(fā)動機(jī)飛輪端指向自由端為

+X向，豎直向上為+Z向，遵循右手定則。約束齒輪室剖切面的X、Y、Z方向3個平動自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，在齒輪室、油泵輔助支架的機(jī)體安裝螺栓孔周邊建立固定約束條件。（圖1）

2 ?結(jié)果分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以得到支架系統(tǒng)每一階次的固有頻率和振型，振型可以反饋系統(tǒng)在特定頻率下的振動形式。當(dāng)外部激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率相接近時，支架會發(fā)生共振，從而導(dǎo)致支架損壞，影響發(fā)電機(jī)的正常使用。因此，要避免發(fā)電機(jī)系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)常用工況發(fā)生共振。

發(fā)動機(jī)上零部件主要受到發(fā)動機(jī)振動影響，而發(fā)動機(jī)振動的主要激勵源為點(diǎn)火激勵，點(diǎn)火激勵頻率為：

其中：n—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速;i—缸數(shù);τ—沖程數(shù)。

該六缸發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是1900rpm，4沖程，故其最大點(diǎn)火頻率值為95Hz。

該發(fā)電機(jī)支架計算一階頻率值為151Hz，高于發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速下點(diǎn)火激勵頻率的1.2倍，即114Hz，因此發(fā)電機(jī)支架在工作時不會發(fā)生共振，滿足設(shè)計要求。一階模態(tài)振型如圖2所示，振型為發(fā)電機(jī)支架沿X方向擺動。

2.2 靜強(qiáng)度分析

發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)靜載荷強(qiáng)度分析目的是考察發(fā)電機(jī)支架在靜應(yīng)力條件下是否滿足設(shè)計要求，同時為后續(xù)的疲勞分析提供必要的輸入數(shù)據(jù)。施加最大螺栓預(yù)緊力、皮帶力和6個方向的15G靜應(yīng)力沖擊載荷，計算各沖擊方向的應(yīng)力分布。其中在-X方向存在最大的Mises應(yīng)力86MPa，遠(yuǎn)低于QT450的屈服強(qiáng)度極限310MPa，靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，其應(yīng)力分布如圖3所示。

2.3 高周疲勞分析

以ABAQUS計算得到的應(yīng)力結(jié)果為輸入，結(jié)合發(fā)電機(jī)支架的材料屬性、零件表面粗糙度、材料統(tǒng)計規(guī)律等，采用FEMFAT疲勞計算軟件對發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行高周疲勞計算，得到發(fā)電機(jī)支架的高周疲勞安全系數(shù)云圖，如圖4所示。發(fā)電機(jī)支架高周疲勞安全系數(shù)最小值為2.68，高于設(shè)計要求限值1.2，高周疲勞安全系數(shù)滿足設(shè)計要求。

3 ?優(yōu)化設(shè)計及校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上計算結(jié)果，對發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。圖5為優(yōu)化前的發(fā)電機(jī)支架有限元模型，圖6為優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架有限元模型。發(fā)電機(jī)支架在靜載荷工況下受到的整體應(yīng)力較小，因此首先把發(fā)電機(jī)支架的板厚由原先的16mm減至12mm，側(cè)筋的厚度由原先的12mm減至10mm，同時降低側(cè)筋的高度，且側(cè)筋局部進(jìn)行鏤空處理。側(cè)筋向支架內(nèi)部調(diào)整，去除原支架邊緣多余的材料。經(jīng)過優(yōu)化后，發(fā)電機(jī)支架的重量由原先的8.1kg減至4.9kg，重量減輕接近40%。

3.2 優(yōu)化后結(jié)果

對優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架重新計算模態(tài)、靜強(qiáng)度和高周疲勞安全系數(shù)。圖7是優(yōu)化后發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)的一階頻率振型圖，可見一階固有頻率值為126Hz，大于114Hz，滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架在+Z方向的沖擊載荷下存在最大Mises應(yīng)力151MPa，低于QT450的屈服強(qiáng)度極限310MPa，靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求， 其應(yīng)力分布如圖8所示。

利用FEMFAT校核新發(fā)電機(jī)支架的高周疲勞安全因數(shù)，其分布見圖9。從圖中可以看出，發(fā)電機(jī)支架的最小疲勞安全系數(shù)為1.81，大于設(shè)計要求的限值1.2，滿足要求。

4 ?結(jié)論

①在此次的零部件開發(fā)設(shè)計階段，運(yùn)用有限元分析手段校核發(fā)電機(jī)支架的模態(tài)、靜強(qiáng)度和安全疲勞系數(shù)，優(yōu)化前的發(fā)電機(jī)支架各方面性能滿足設(shè)計要求。

②根據(jù)計算結(jié)果，優(yōu)化了發(fā)電機(jī)支架結(jié)構(gòu)，減重接近40%。

③校核優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架，其模態(tài)、靜強(qiáng)度和安全疲勞系數(shù)均滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

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