发动机附件支架的有限元分析方法研究

第2期2011年4月

内燃机

InternalCombustionEngines

No.2Apr.2011

发动机附件支架的有限元分析方法研究

朱凌云,路 明,胡昌良

(江淮汽车股份有限公司技术中心,安徽合肥230601)

摘要:从引起支架失效的各种原因出发,建立了综合考虑附件支架的振动响应、应力分布、疲劳强度等多个方面的有

限元分析流程,并通过一个分析实例对流程进行了验证,结果表明,该分析流程能够全面合理地完成支架的校核。关键词:支架;振动;动载;疲劳

中图分类号:TK401 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2011)02-0018-03

ResearchofFiniteElementAnalysisMethodfor

EngineAccessoryBracket

ZHULing-yun,LUMing,HUChang-liang

(TechnologyCenter,AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230601,China)

Abstract:Basedonanalysisofthefactorsthatresultinfailureofengineaccessorybracket,afiniteelementanalysisflowof

bracketwasbuiltintermsofvibrationresponse,stressdistributionsandfatigueintension,etc.Anexampleofair-cond-itioningcompressorbracketwasmadetovalidateanalysisflow,theresultshowsthefiniteelementanalysisflowofbracketiscomprehensiveandreasonable.Keywords:bracket;vibration;dynamicload;fatigue

发动机的附件有空压机、动力转向泵、水泵与起动机等,这些附件虽然不是发动机的核心部件,但对发动机的性能与运行起着至关重要的作用。支架是将这些附件安装固定在发动机上的直接支撑,其可靠性直接影响着附件甚至整个发动机能否正常工作。当前,支架有限元分析方法大都只考虑

[1]

了静载状态下的强度校核,也有对支架在发动机

[2]

转速激励下振动响应进行了分析。实际上,支架在静载状态下发生破坏故障的情况极其少见,其失效行为大都是由于整机振动产生的交变冲击载荷而引起的疲劳破坏,当前对支架进行疲劳分析的研究还很少见。因此,要想全面合理地进行支架有限元分析,必须从振动、应力分布、接触面滑移与疲劳强度多个方面进行验证分析。

1 支架的失效原因分析

1.1支架的振动

[3,4]

根据振动理论,对于一个多自由度系统的运动微分方程为:

MX+CX+KX=F

##

#

(1)

作者简介:朱凌云(1975-),男,安徽怀宁人,工程师,博士,主要从事发动机结构强度分析工作。

:12-21

式中,M,C,K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵,X,F分别为系统各点的位移响应向量及激励向量。式(1)经过拉氏变换,得:

2

(K-XM+jXC)X(X)=F(X)(2)

令X(X)=5Q,5为系统各阶模态向量组成的模态矩阵,记为5=[<1,<2,,,<N],Q为系统的模态坐标,其物理意义为各阶模态对响应的贡献量,也就是加权系数,记为Q=[q1(X),q2(X),,,

T

qN(X)],代入式(2),得:

2

(K-XM+jXC)5Q=F(X)(3)

根据方程可求出系统的N阶频率值X,当X与系统激励力的频率相等时,系统会产生共振。

支架的共振行为受发动机转速频率影响,发动

[5]

机转速的基频为:

Nnf=(4)

60S

式中,N为发动机气缸数,n为曲轴转速,S为发动机冲程数。

当支架总成(包括支架、发电机、空压机等)的共振频率带宽在发动机转速范围内,就会使支架产生共振而造成失效。1.2支架的静载

支架的静载就是指支架的装配载荷(螺栓预紧力)与工作载荷。当支架的装配载荷过小时,容易,

第2期

朱凌云等:发动机附件支架的有限元分析方法研究

# 19#

磨损等故障出现。支架的工作载荷过大时,会使支

架产生较大的应力、应变,当应力超过支架材料的强度极限,就会造成支架断裂。1.3支架的动载

支架的动载是指支架由整机或部件瞬时振动、加减速、颠簸等带来的冲击载荷。这类载荷比较复杂,一般没有固定的方向和大小,但是具有反复性与周期性,会给支架带来疲劳破坏。在有限元模拟时,可对支架的6个方向施加一定大小的加速度载荷,见图1

。

破坏。

c.静载荷分析结果是进行后续疲劳分析的输入。2.3高周疲劳分析

高周疲劳分析是计算支架在动载与静载共同作用下的寿命周期或安全系数。表1给出了支架高周疲劳分析的载荷步。

表1 高周疲劳分析载荷步

分析步分析步1分析步2分析步3分析步4分析步5分析步6分析步7

载 荷

装配载荷+工作载荷装配载荷+X(+)动载装配载荷+X(-)动载装配载荷+Y(+)动载装配载荷+Y(-)动载装配载荷+Z(+)动载装配载荷+Z(-)动载

图1 支架动载有限元模拟

2 支架的有限元分析流程

根据支架的失效原因,对支架进行全面有效的校核必须进行以下三个方面有限元分析:2.1模态分析

获取模态频率是模态分析最基本的目的,因为了解了系统的模态频率就可以知道系统在什么频率范围内振动比较敏感;而模态振型则反映了系统在一定的模态频率下以什么样的形式进行振动,其各部位的振动幅值的相对关系如何。对支架进行模态分析就是获取支架总成的各阶共振频率值,以考察支架在发动机运行期间是否发生共振。

对于4缸4冲程发动机而言,一个循环发火2次,所以其2阶发火频率对支架的共振激励影响最大,因此,要想避免支架在发动机运行期间发生共振破坏,就要求支架的1阶频率值fmin满足:

Xmin>(1.3?0.1)@f2nd(5)

f2nd为发动机在最大持续超速转速下的2阶频率值。2.2静强度分析

静强度分析的目的有3个a.计算支架在装配载荷、工作载荷与动载荷作用下的应力大小,以材料力学的强度理论作为评价准则,判断支架是否会发生断裂破坏。

b.考察支架装配凸台接触面在最小螺栓预紧力作用下的接触背压与相对滑移量,要求接触面至少达到15MPa接触背压,否则,支架会由于压紧力不足而造成松动;要求接触面间的相对滑移量小于

,,图2 发动机附件支架有限元分析流程

#20# 内燃机2011年4月

根据上述分析内容,建立的支架有限元分析流程见图2。

3 应用实例

某型号汽油机处在概念设计阶段,现需要对其空调压缩机支架进行有限元分析。根据分析流程,对支架进行模态、接触背压、接触面滑移量、静强度与疲劳分析。

支架总成的1阶频率为272Hz,见图3。该汽油机的最大超速持续转速为5850r/min,由式(4)计算得其2阶频率为195Hz,根据式(5),支架总成的1阶频率值大于1.2倍的发动机持续超速转速2阶频率值,

支架满足避振设计要求。

图4 最小螺栓预紧力下支架的接触背压

图5 最小螺栓预紧力下支架的滑移量

图3 支架总成的1阶模态

支架紧固螺栓的规格M8-8.8,其最大、最小预紧力分别为19.8,12.4kN,最小螺栓预紧力用于考察接触面的滑移与接触背压。图4、图5分别为支架在最小螺栓预紧力作用下的接触背压与滑移量云图,从图中可以看出,支架的接触背压满足大于15MPa的压紧要求,图5中A区域的滑移量最小,为5Lm,小于滑移量评价准则上限,大于其下限,满足要求,但会产生轻微磨损。

图6给出了支架在最大螺栓预紧力、空压机皮带拉力与Y+方向15g加速度动载共同作用下的应力云图。除约束定义及各加载点外,支架的V.mises应力均在材料的屈服极限310MPa以下,小于其材料屈服极限。小图B区域处的最小主应力达到-215MPa,接近材料的压缩屈服极限225MPa,但不会造成支架破坏,因此,支架设计满足强度要求。

疲劳分析是考察支架在6个方向重力加速度动载循环作用下的疲 …… 此处隐藏：2408字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……