某船用發動機中冷器螺栓斷裂故障分析及優化

摘要：本文利用Hypermesh對某船用發動機中冷器系統進行前期的網格處理，用Abaqus結構仿真軟件對處理好的發動機中冷系統進行模態及強度計算分析。文中先對產生故障的某船用發動機系統進行故障分析，找出故障原因，再根據故障分析結果對該系統的結構進行了優化。最終通過給該系統增加輔助支撐的方式，提高了中冷器系統頻率，使其高于特殊零部件的校核標準，取得了較好的效果，從而有效解決了因發動機共振引起的故障。

關鍵詞：中冷器系統;模態分析;靜強度分析;面壓;滑移量

Abstract： In this paper， a Marine engine intercooler system was processed with the Hypermesh in the early stage， and the model and strength of the processed engine intercooler system were calculated and analyzed with the Abaqus structure simulation software.In this paper， the fault analysis of a Marine engine system is carried out to find out the cause of the fault， and then the structure of the system is optimized according to the results of the fault analysis.Finally， by adding auxiliary support to the system， the frequency of the intercooler system is increased， making it higher than the checking standard of special parts， and good results are obtained， thus effectively solving the fault caused by engine resonance.

Key words： inter-cooled systems;thermal modal analysis;static strength analysis;surface pressure;slip

0? 引言

中冷器系統是發動機上非常重要的系統，它的主要功能是將經過增壓器壓縮的空氣的溫度降低再提供給發動機進氣系統，以降低發動機溫度，從而提升功率和降低油耗。因此，中冷系統的工作可靠性是發動機燃油經濟性的一項重要影響因素。本文主要利用Abaqus[1]結構仿真軟件對某發動機中冷器系統進行模態和靜強度分析，為解決故障提供優化方向和改進驗證，提高了中冷器系統的可靠性，縮短了產品的開發周期。

1? 故障問題

我公司配套的某型號船用發動機，出現中冷器螺栓斷裂的問題。最初為中冷器支架螺栓斷裂，更換較高強度的螺栓后，中冷器本身的螺栓斷裂，故障圖片如圖1和圖2所示。經分析為中冷器本身質量較重，整個系統模態較低，與發動機本身的振動頻率產生共振的原因造成的故障。

通過對該中冷器系統進行模態及強度分析，增加輔助支撐，以提高整個系統的頻率，使其避開發動機的常用轉速對應的點火激勵頻率。優化后的方案已進行市場驗證，至今未出現過故障。

2? 故障分析及結論

2.1 中冷器系統建模

對中冷器系統進行前處理及模型搭建，發動機中冷系統原方案的三維模型如圖3所示，系統部件材料相關屬性如表1所示，中冷器質量屬性如表2所示。

對中冷器、支架及飛輪殼等相關部件進行網格劃分，模型中網格均為二階四面體網格，最終得到中冷器系統的有限元模型[2]如圖4所示。

2.2 接觸及邊界條件

在對中冷系統進行模態計算時，系統中各部件間建立TIE連接，系統接觸情況定義如圖5所示。進行模態計算時，對飛輪殼與機體相連的螺栓孔進行六個自由度的限制，如圖6所示。

2.3 原方案中冷系統模態結果分析

原方案中冷器系統約束模態[3、4]計算分析結果如表3所示，一階振型圖如圖7所示。

該中冷器系統約束模態一階頻率為27Hz，低于發動機額定轉速（2100rpm）下點火激勵，且二、三階頻率落在了發動機常用轉速（1000-1600rpm）對應的點火激勵（50-80Hz），推斷共振是引起螺栓斷裂的原因，需對該結構進行優化。

3? 結構優化與仿真驗證

3.1 結構優化

對原方案的一階約束模態振型圖進行分析，確定新方案的優化方向，通過在中冷器后端面增加輔助支架結構提高系統剛度，進而提高整個系統的模態。優化后結構如圖8所示。

3.2 仿真驗證

完成優化方案三維建模后，利用Abaqus軟件對增加輔助支架的中冷系統進行模態計算分析和靜強度計算分析。

優化后方案的前三階頻率如表4所示，一階振型圖如圖9所示。

從表4中的計算結果可以看出增加了輔助支架后的系統一階約束模態的頻率數值由原本的27Hz提高到了97Hz，結果表明優化后的中冷系統在剛度上得到了明顯提高，且避開了發動機常用轉速的點火激勵頻率，降低了中冷系統的共振風險。

對輔助支架進行靜強度分析，中冷器輔助支架在六向沖擊作用下產生的最大Mises應力出現在Right方向上，為85MPa。二中冷器輔助支架的材料為QT400，其屈服強度為250MPa，遠高于輔助支架所受的應力85MPa，因此輔助支架的強度滿足設計要求。計算結果如表5所示，輔助支架的應力分布云圖如圖10所示。

施加螺栓預緊力作用下，中冷器輔助支架與壓緊塊、中冷器間的接觸面，面壓連續無間斷，面壓滿足設計要求，輔助支架接觸面滑移量最大值為0.048mm，小于滑移量限值，滑移量滿足設計要求。滑移量計算結果如圖11所示。

4? 結論

本文是針對某船用發動機中冷器螺栓斷裂故障，利用Hypermesh和Abaqus對該中冷器系統故障進行模態及靜強度分析，認為出現故障的主要原因是中冷器系統的固有頻率較低，與發動機的常用轉速發生共振。根據分析結果對中冷系統的結構進行優化，通過增加輔助支架，提高了系統的剛度，進而提高系統的固有頻率，并通過仿真手段驗證了結構的合理性，在之后的市場驗證中未再出現該故障。

參考文獻：

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]許一，吳寒.基于ABAQUS的建模與仿真[J].數字化用戶，2013（18）：108-109.

[3]傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[4]張波.基于ABAQUS的發動機懸置支架有限元分析[J].汽車實用技術，2017（12）：233-236.

[5]張超，袁帥，李艷君，李乃武.某船用發動機排氣系統結構優化[J].內燃機與配件，2020（21）：48-50.

[6]陳承，王偉，劉景超.重型商用車中冷器失效分析及改進[J].重型汽車，2020（05）：27-29.