硅油減振器的參數化設計及有限元計算研究

何康威，鄒 磊，肖能齊2，*

(1.宜都市仝鑫精密鍛造有限公司，湖北 宜都 443300；2.三峽大學 機器人與智能系統宜昌市重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

工程車輛柴油機傳動系統在運行過程中，柴油機輸出的能量經過聯軸器、變速箱、傳動軸和車橋系統連續不斷地傳遞至負載，該過程為機械動力學中的多體動力學運動問題。由于柴油機作為典型的彈性系統，柴油機在運行過程中會產生交變扭轉力矩，從而使柴油機本身的各質量點間發生相對運動導致扭轉變形和應力的產生，扭轉振動較大可能導致柴油機曲軸斷裂、軸瓦剝落燒損或機體振動和噪聲較大。目前為了解決上述問題，主要是采取調整車輛系統的固有頻率、改變柴油機發火順序和和加裝扭轉振動減振器等三種方式[1]。硅油減振器具有減小扭轉振動振幅，減小激振能量與增加阻尼消耗能量等優點，因此目前被廣泛用于柴油機傳動系統、發電機組等[2]。

目前國內外學者和科研機構等對硅油減振器的研究主要集中在減振數學模型與機理、硅油減振器設計與應用、動態匹配以及臺架試驗等方面[3-5]。Syrakos等[6]通過對硅油減振器的結構特征與減振機理進行研究與分析，利用有限元體積法模擬了柴油發動機在不同激勵頻率下硅油阻尼器的減振特性以及硅油的流動特性進行了研究。Zawisza等[7]分析了硅油阻尼器的結構特性，提出了基于柴油機幅值最小的硅油阻尼器最佳匹配準則。該方法用于指導柴油機廠家匹配硅油阻尼器。Homik[8]在對多缸內燃機扭轉振動計算分析的基礎上，進一步探討了減振器振動阻尼效率隨阻尼粘度變化的規律。劉國凱等[9]為提高硅油減振器外殼旋壓成形合格率，利用有限元法，對硅油減振器的四道次旋壓方法進行的沒道次進行模擬與仿真分析；同時通過實驗驗證了該工藝方法的可行性。張立偉[10]選取傳統加工方法制造的硅油減振器與精細制造方法提高減振器的形位公差、工藝尺寸精度以及殼體內硅油填充率等制造的硅油減振器，借助臺架試驗進行扭轉振動測試計算與分析，通過對比分析驗證了硅油減振器的精細制造有助于提高減振器的減振效果。上官文斌等[11]為設計硅油減振器阻尼測試試驗機，對所采用的減振器阻尼測試方法進行了闡述；同時根據減振器的減振機理和阻尼測試方法，設計了試驗臺驅動裝置。

本文以某工程車輛傳動系統中的硅油減震器為研究對象，對硅油減振器結構組成和減振機理進行研究，利用VB.NET軟件平臺開發具有通用性的硅油減振器參數化設計軟件；同時利用ANSYS有限元軟件對硅油減振器的結構強度和殼體溫度分布特點進行計算與分析，為硅油減振器的參數化設計與力學特性研究奠定基礎。

1 基于VB.NET的硅油減振器參數化設計

1.1 硅油減震器基本組成及其工作原理

硅油減振器主要是由減振器外殼體、慣性環體、殼體蓋板、填充于減振器外殼體與慣性環體之間間隙的硅油以及堵塞等部件組成。其中：硅油減振器的外殼體與殼體蓋板之間是通過焊接的方式進行連接；殼體的內環向內曲起，形成一個儲油槽；在發動機曲軸旋轉時，位于減振器外殼體內的慣性環體在外殼體內進行自由回轉運動。硅油減振器的結構示意圖如圖1所示。其中R2—慣性環體外環半徑，—R3—慣性環體內環半徑，B—慣性環體的厚度，B1—殼體的高度，B2—殼體的厚度，R0—外殼體外環半徑，h—硅油厚度，R1—與法蘭連接的內環半徑。

圖1 硅油減振器的結構示意圖

硅油減振器的減振基本原理是當柴油機運轉時，安裝在柴油機曲軸自由端的硅油減振器隨柴油機曲軸一起進行回轉運動；硅油減振器殼體內的慣性環體由于慣性作用，慣性環體并不隨著殼體一起同步進行回轉運動，從而減振器外殼體與慣性環體之間存在相對運動，填充在減振器外殼體與慣性環體之間間隙的硅油將會產生剪切作用，使得硅油內部產生粘性摩擦力。由于硅油減振器的阻尼作用，將產生阻尼功，把柴油機曲軸在運轉過程中扭轉振動產生的能量通過阻尼功轉換成熱能耗散掉，從而達到降低柴油機曲軸扭轉振動的減振目的。

根據硅油減振器的組成結構和硅油在殼體與慣性環體之間的分布特點，為了計算與分析更為直觀，可以將其簡化為由兩塊間距為h的平行板之間充滿粘性系數為m的流體介質的基本模型，圖2為硅油減振器外殼體與慣性環體間充滿粘性流體的基本模型。

圖2 硅油減振器外殼體與慣性環體間充滿粘性流體的基本模型

根據如圖2 (b)所示的硅油減振器外殼體與慣性環體間充滿粘性流體的基本模型和牛頓內摩擦力定律，流體層間的內摩擦力F和硅油層之間的切應力(即單位面積上的內摩擦力)可表示為：

(1)

(2)

假定硅油相對運行時做簡諧振動，則圖2(b)所示的減振器的流體平板簡化模型的位移x和剪切速率rm為

x=Xsinωt

(3)

(4)

根據公式(1)～(4)，可以分別得到內摩擦力F和粘性阻尼消耗的能量Wh為

(5)

(6)

則系統黏性阻尼力在一個周期內消耗的能量為

(7)

在硅油減振器的徑向和側向間隙中，硅油產生的徑向阻力力矩和側向阻力矩分別為

(8)

式中：υn為徑向運動粘度(m2/s)；υt為側向運動粘度(m2/s)，ΔAed為振動幅值。

1.2 基于VB.NET的硅油減振器集成系統軟件開發

根據硅油減振器的組成結構以及其減振器機理，利用VB.NET軟件開發具有友好型界面參數化輸入、參數化設計與建模等功能的硅油減振器集成系統軟件，其軟件開發的流程圖如圖3所示。

圖3 基于VB.NET的硅油減振器集成系統軟件開發流程圖

對圖3所示基于VB.NET的硅油減振器集成系統軟件開發流程圖進行分析，軟件主要模塊及其功能如下：

1)硅油減振器參數化設計模塊。該模塊主要包括硅油減振器外殼體的輸入/修改、慣性環體的輸入/修改以及其他尺寸參數的輸入/修改，圖4為硅油減振器基本參數輸入界面。

2)數據存儲與讀取模塊。該模塊采用在SQL Server數據庫中建表存儲數據，從而完成在軟件運行過程中對數據進行實時的查詢、更新和修改等，如：硅油減振器外殼體和慣性環體的存儲與讀取以及相關文檔輸出等。圖5為硅油減振器數據存儲與讀取模塊界面。

圖4 硅油減振器基本參數輸入界面

圖5 硅油減振器數據存儲與讀取模塊界面

3)繪圖模塊。該模塊根據硅油減振器參數化設計模塊相關參數，通過對三維建模軟件UG進行二次開發，可以獲得UG軟件的進程和工作部件代碼；同時通過VB.NET與UG連接，將三維建模軟件UG二次發的代碼引入到基于VB.NET的硅油減振器集成系統中，從而得到硅油減振器三維模型，圖6為硅油減振器三維模型繪圖模塊界面。

圖6 硅油減振器三維模型繪圖模塊界面

2 硅油減振器有限元分析

2.1 有限元模型

利用開發的基于VB.NET的硅油減振器集成系統軟件，導出FA3081040型硅油減振器三維模型。為了ANSYS軟件對硅油減振器進行計算與分析的快速性和準確性，本文對硅油減振器的較小的突臺、微斜角以及微圓角進行適當簡化處理；同時選取FA3081040型硅油減振器模型的1/2作為分析對象。模型導入到Ansys-workbench中，對硅油減振器的網格模型采用四面體單元進行劃分，得到網格節點數為112200，單元總數為57307，FA3081040型硅油減振器模型網格劃分如圖7所示。

圖7 FA3081040型硅油減振器模型網格劃分

在柴油機運轉時，被安裝在曲軸自由端的硅油減振器隨曲軸一起進行回轉運動，而在殼體內的慣性環體與殼體本身做相對轉動。在ANSYS計算分析過程中，對假定殼體和背部蓋板進行約束，使其固定不動；硅油在運動過程中對殼體產生的扭矩可以簡化為，施加一個沿殼體上下表面半徑方向變化的液體壓強，施加的變應力載荷為0.0015R(MPa)，FA3081040型硅油減振器邊界條件及載荷施加模型如圖8所示。

圖8 FA3081040型硅油減振器邊界條件及載荷施加模型

2.2 計算與分析

通過對硅油減振器的減振機理及其工作過程中的邊界條件和載荷特點進行分析，利用ANSYS軟件進硅油減振器的結構強度進行計算與分析，其計算結果如圖9 和圖10所示。

圖9 FA3081040型硅油減振器應力值分布云圖

圖10 FA3081040型硅油減振器變形值分布云圖

根據如圖9和圖10所示的FA3081040型硅油減振器應力值分布云圖和變形值分布云圖可知：

從對FA3081040型硅油減振器的應力和位移變化的結果來看，殼體的應力值分布范圍是0.25 MPa～54.92 MPa之間，其應力分布結果均小于結構鋼材料的許用應力值；FA3081040型硅油減振器殼體的位移變形量在0～0.097 mm之間，因此FA3081040型硅油減振器的結構強度符合設計要求。

3 結論

本文在對硅油減振器的組成結構和減振機理進行分析的基礎之上，利用VB.NET開發軟件和UG二次開發進行混合編程；采用模塊化法開發了具有友好型界面參數化輸入、參數化設計與建模等功能的硅油減振器集成系統軟件，為硅油減振器的參數化設計奠定了基礎，極大提高了硅油減振器的設計效率。

利用所開發的基于VB.NET的硅油減振器集成系統軟件，導出FA3081040型硅油減振器三維模型。利用ANSYS軟件對硅油減振器的模型采用四面體網格進行劃分，并構建符合實際運行狀態的邊界條件和載荷，對硅油減振器的力學特性進行了計算與分析。后續研究可以在參數化設計及有限元計算分析的基礎之上，進一步開展硅油減振器動態匹配設計。