柴油機風扇系統仿真分析與優化

□ 朱冬月 □ 李鵬飛 □ 李艷君

濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 分析背景

隨著計算機技術的高速發展,計算機輔助工程仿真技術的應用越來越廣泛。新技術的應用對降低研發成本、縮短研發周期具有重要意義。計算機輔助工程仿真技術在汽車行業中應用,已形成成熟的流程和規范,汽車的整個研發過程都離不開計算機輔助工程仿真技術[1-3]。以新能源汽車為例,計算機輔助工程仿真技術的應用貫穿了機械、流體、熱學、聲學、電氣、電磁等學科,不僅能夠解決電池組、牽引電動機等部件的開發問題,而且可以應用于噪聲、振動、聲振粗糙度特性,以及輕量化等方面的性能優化分析[4]。

從廣義上講,計算機輔助工程仿真技術包括有限元計算機輔助工程、專業仿真計算機輔助工程、系統級設計仿真等工業領域中應用到的所有仿真類技術[5]。有限元計算機輔助工程作為一種零部件可靠性分析的重要手段,與傳統試驗驗證相比,可以有效降低反復樣機試驗帶來的高成本消耗,提高零部件的設計開發效率。Hypermesh和ABAQUS作為有限元計算機輔助工程仿真分析的主流軟件,主要功能涵蓋了模型前處理、計算分析、結果后處理等環節[6]。

柴油機的基本結構包括曲柄連桿機構、配氣機構、傳動機構、燃油供給系統、冷卻系統、氣動系統[7]。柴油機在工作過程中會產生大量熱量,需要冷卻水將多余的熱量帶走,同時高溫冷卻水需要通過風扇進行冷卻。因此,風扇系統在冷卻系統中起到至關重要的作用,是保證柴油機正常運轉的重要零部件。

現有某型號柴油機風扇系統無法滿足客戶提出的散熱需求,計劃重新設計風扇系統,需要對風扇系統的模態、強度、面壓、滑移等進行分析,對結構設計的合理性進行驗證。筆者應用Hypermesh軟件對風扇系統進行網格劃分,將模型導入ABAQUS軟件進行模態、強度等計算分析,為風扇系統的設計和結構優化提供理論參考。

2 有限元模型

風扇系統有限元模型如圖1所示,這一系統主要由機體、風扇連接盤、風扇皮帶輪、風扇托架、風扇自帶法蘭、螺栓等組成。風扇系統的主要考察零部件為風扇連接盤和風扇托架。

▲圖1 風扇系統有限元模型

在計算分析時,除螺栓外的零部件均采用二階四面體單元,其中非考察件平均網格大小為3～6 mm,風扇連接盤和風扇托架作為考察零部件,平均網格大小為2～3 mm。風扇托架有限元模型如圖2所示。

▲圖2 風扇托架有限元模型

3 材料參數

風扇系統中各零部件材料參數見表1,風扇質量屬性參數見表2,螺栓參數見表3。風扇皮帶輪受力為2 849 N,方向為247.3°。

表1 風扇系統零部件材料參數

表2 風扇質量屬性參數

表3 螺栓參數

4 邊界條件與載荷

模態是機械結構系統的固有振動特性[8],與系統的質量和剛度密切相關,在進行模態計算時不需要施加載荷。在強度計算過程中,需要對系統添加載荷,包括風扇皮帶輪所受的皮帶拉力、螺栓預緊力,以及六個方向上的沖擊載荷,筆者在計算中施加的沖擊載荷為15倍重力加速度。邊界條件與載荷如圖3所示。

5 接觸

風扇系統接觸如圖4所示。在模態計算時,各接觸面均采用ABAQUS軟件中的Tie連接。在強度計算時,風扇托架與機體、風扇連接盤與風扇皮帶輪及風扇自帶法蘭采用摩擦接觸,風扇皮帶輪采用ABAQUS軟件中的Coupling約束,其余接觸面均采用Tie連接。風扇系統接觸如圖4所示[9]。

▲圖3 邊界條件與載荷

▲圖4 風扇系統接觸

6 模態計算結果

應用ABAQUS軟件計算得到風扇系統模態計算結果,見表4。其中,一階模態振型如圖5所示。

表4 風扇系統模態計算結果

▲圖5 風扇系統一階模態振型

從上述計算結果可以看出,風扇系統一階頻率為164.8 Hz,高于最高空車轉速2 400 r/min對應的點火激勵的1.2倍(144 Hz),避開了共振,模態計算結果滿足設計要求。

7 強度計算結果

在風扇質量、皮帶拉力,以及各向沖擊的共同作用下,通過靜強度計算分析得到風扇托架的等效應力,見表5。

表5 風扇托架等效應力計算結果

由表5可以看出,風扇托架的等效應力最大值為198 MPa。風扇托架應力云圖如圖6所示。風扇托架使用的材料為QT600,屈服強度為370 MPa。風扇托架的等效應力最大值低于材料屈服強度,零部件不會發生塑性變形,因而靜強度滿足設計要求。

▲圖6 風扇托架應力云圖

8 滑移計算結果

風扇托架與機體采用螺栓連接,滑移分布云圖如圖7所示。螺孔周圍的最大滑移量為0.012 mm,低于0.015 mm的限值要求,滑移滿足設計要求。

▲圖7 風扇托架滑移分布云圖

風扇連接盤與風扇皮帶輪采用螺栓連接,滑移分布云圖如圖8所示。接觸面間螺孔周圍的最大滑移量為0.036 mm,高于0.015 mm的限值要求,滑移未滿足設計要求。此處連接螺栓有斷裂風險,需要對結構進行優化。

▲圖8 風扇連接盤滑移分布云圖

9 優化設計

對風扇連接盤處的結構進行優化設計,將一根長螺栓同時連接風扇自帶法蘭、風扇連接盤和風扇皮帶輪改為兩根螺栓分別連接風扇自帶法蘭與風扇連接盤、風扇連接盤與風扇皮帶輪,螺栓參數見表6。優化設計風扇連接盤如圖9所示。

表6 優化設計風扇連接盤螺栓參數

▲圖9 優化設計風扇連接盤

對優化設計風扇連接盤的等效應力進行計算分析,計算結果見表7。

表7 優化設計風扇連接盤等效應力計算結果

由表7可以看出,優化設計風扇連接盤的等效應力最大值為263 MPa。優化設計風扇連接盤應力云圖如圖10所示。優化設計后,最大等效應力低于QT450材料的屈服強度(310 MPa),靜強度滿足設計要求。

▲圖10 優化設計風扇連接盤應力云圖

同時對優化設計風扇連接盤與風扇皮帶輪的接觸面進行滑移分析。該面采用M12螺栓連接,接觸面間螺孔周圍的面壓均不低于1 MPa,并且分布均勻、連續、無間斷,面壓滿足設計要求。最大滑移量為0.005 mm,與原方案相比,滑移得到顯著改善,且低于0.015 mm的限值要求,滑移滿足設計要求。優化設計風扇連接盤滑移分布云圖如圖11所示。

▲圖11 優化設計風扇連接盤滑移分布云圖

10 結束語

筆者在柴油機風扇系統設計開發過程中,采用仿真方法對方案的可行性進行分析,并根據計算結果提出優化建議,對設計方案進行了優化改進。分析結果表明,優化設計的風扇連接盤螺栓連接可靠。采用有限元計算機輔助工程仿真技術對零部件進行分析校核,可以有效縮短產品的研發周期,節約時間成本[10]。