朱冬月 袁帥 李艷君 郭彬 趙宏陽

摘要：本文基于Hypermesh和ABAQUS對某柴油機(jī)的發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行分析，并對不滿足要求的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。利用Hypermesh對模型進(jìn)行前處理，ABAQUS進(jìn)行模態(tài)、強(qiáng)度、滑移計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，初始設(shè)計(jì)方案強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再次進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示優(yōu)化方案滿足設(shè)計(jì)要求。通過CAE仿真手段對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，有效縮短了研發(fā)時(shí)間。

Abstract： In this paper， the generator support of a diesel engine was analyzed based on Hypermesh and ABAQUS. And then optimized the design scheme that did not meet the requirements. Hypermesh was used to preprocess the model， and ABAQUS was used to calculate the modal， strength and slip. The calculation results showed that the strength of the initial design scheme did not meet the design requirements. After optimizing the structure， the simulation verification was conducted again， and the results showed that the optimized scheme met the design requirements. The application of CAE simulation software ensures the feasibility of structural design and effectively reduces the time of research and development.

關(guān)鍵詞：ABAQUS;模態(tài);強(qiáng)度;柴油機(jī)

Key words： ABAQUS;modal;strength;diesel engine

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0003-04

0? 引言

發(fā)電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其主要功能是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)向除起動(dòng)機(jī)外的所有用電設(shè)備供電，同時(shí)向蓄電池充電，而發(fā)電機(jī)支架作為發(fā)電機(jī)的重要支撐，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，要同時(shí)承受來自發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)源和發(fā)電機(jī)本身的振動(dòng)，且支撐著發(fā)電機(jī)的重量和發(fā)電機(jī)皮帶載荷，其模態(tài)、強(qiáng)度等性能決定了整個(gè)發(fā)電機(jī)的使用性能。

驗(yàn)證零部件的可靠性通常采用實(shí)驗(yàn)方法，但零部件的實(shí)驗(yàn)周期長、成本高，已無法滿足人們對零部件研發(fā)設(shè)計(jì)的效率要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE仿真技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越廣泛，其主流軟件有Hypermesh、ABAQUS、ANSYS等[1]。CAE軟件的應(yīng)用，大大提高了零部件可靠性分析的效率，縮短了研發(fā)時(shí)間，節(jié)約了研發(fā)成本。重慶長安新能源汽車科技有限公司的侯磊等，利用CAE仿真軟件對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而對關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的高性能集成和降本增效提供了理論參考[2];一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司的馬天龍通過CAE仿真軟件對制動(dòng)油管疲勞應(yīng)力及共振頻率進(jìn)行簡單仿真，為研討布置設(shè)計(jì)方案提供參考依據(jù)，大幅縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間[3]。

本文采用CAE仿真技術(shù)，首先利用Hypermesh對發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)支架整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行前處理，劃分網(wǎng)格，再利用ABAQUS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)、強(qiáng)度、滑移計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對發(fā)電機(jī)支架的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文利用CAE軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，為發(fā)電機(jī)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1? 有限元模型

1.1 發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)有限元模型

發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)有限元模型如圖1所示，主要由齒輪室、氣缸蓋、發(fā)電機(jī)支架、發(fā)電機(jī)、連接螺栓等組成。

發(fā)電機(jī)支架有限元模型如圖2所示，本文利用Hypermesh軟件對該發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)支架、吊環(huán)等均采用四面體單元，連接螺栓采用六面體單元，其中發(fā)電機(jī)支架等考察件的平均網(wǎng)格大小為4mm，非考察件的平均網(wǎng)格大小為6mm。

1.2 零部件材料參數(shù)

發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)各部件材料參數(shù)見表1。

1.3 邊界條件及載荷定義

考慮模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算時(shí)不施加載荷;強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，螺栓施加預(yù)緊力，六個(gè)方向分別施加15倍的重力加速度沖擊載荷，發(fā)電機(jī)皮帶輪施加皮帶力;分析滑移時(shí)，分別對選用M10、M12、M14螺栓的情況進(jìn)行分析，連接螺栓具體參數(shù)見表2。邊界條件及載荷定義如圖3所示。

計(jì)算模態(tài)時(shí)，各接觸面均采用Tie連接;強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，支架與吊環(huán)接觸面采用摩擦接觸定義，發(fā)電機(jī)皮帶輪采用coupling約束，其余接觸面均采用Tie連接。模型接觸定義如圖4所示。

2? 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 模態(tài)分析

利用ABAQUS結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算軟件對發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，系統(tǒng)前三階模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)一階、二階、三階模態(tài)分別為157.6 Hz、171.7Hz、452.3Hz，高于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（3200rpm）下點(diǎn)火激勵(lì)頻率的1.2倍，即128Hz。

發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)一階振型如圖5所示，從模態(tài)計(jì)算結(jié)果來看，該發(fā)電機(jī)支架結(jié)構(gòu)避開了共振風(fēng)險(xiǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 強(qiáng)度分析

對發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，施加螺栓預(yù)緊力、皮帶力和沿坐標(biāo)軸方向的15g沖擊載荷，得到發(fā)電機(jī)支架各方向應(yīng)力最大值見表4，應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，發(fā)電機(jī)支架在Front方向沖擊載荷下產(chǎn)生應(yīng)力最大值237MPa，高于發(fā)電機(jī)支架材料Q235A的屈服強(qiáng)度235MPa，發(fā)電機(jī)支架強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 滑移量分析

發(fā)電機(jī)支架與吊環(huán)之間通過螺栓連接，施加最小螺栓預(yù)緊力，針對選用M10、M12、M14三種不同螺栓的情況，分別對各個(gè)接觸面進(jìn)行滑移量的計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果表明，選用M10、M12、M14螺栓滑移量最大值分別為0.019mm、0.014mm、0.0105mm，均高于限值0.01mm，螺栓連接可靠性存在風(fēng)險(xiǎn)，M14螺栓滑移量云圖如圖7所示。

3? 優(yōu)化設(shè)計(jì)與校核

上述計(jì)算結(jié)果表明，該發(fā)電機(jī)支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和螺栓連接可靠性均不滿足設(shè)計(jì)要求，對支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并利用Hypermesh對模型進(jìn)行前處理得到優(yōu)化后發(fā)電機(jī)支架有限元模型如圖8所示。

對優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)、強(qiáng)度、滑移計(jì)算分析。

優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架前三階固有頻率見表5，一階振型圖如圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明，一階頻率數(shù)值為118.8Hz，低于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（3200rpm）下點(diǎn)火激勵(lì)頻率的1.2倍，即128Hz，模態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求，但不在常用轉(zhuǎn)速（1800-2500rpm）對應(yīng)的點(diǎn)火激勵(lì)頻率的1.2倍區(qū)間（72 -100 Hz）內(nèi)，支架共振風(fēng)險(xiǎn)較小，建議在實(shí)際使用中驗(yàn)證。

優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架強(qiáng)度分析結(jié)果見表6，對比原有結(jié)構(gòu)方案，優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)支架在Right方向沖擊載荷下產(chǎn)生應(yīng)力最大值168MPa，低于發(fā)電機(jī)支架材料Q235A的屈服強(qiáng)度235MPa，應(yīng)力云圖如圖10所示，支架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

滑移量計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后支架與墊塊接觸面用M14螺栓滑移量最大值為0.0076mm，低于限值0.01mm，螺栓連接可靠性安全?；屏糠植荚茍D如圖11所示。

4? 結(jié)論

本文利用Hypermesh和ABAQUS兩種CAE仿真軟件對發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)模態(tài)、強(qiáng)度、滑移量進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了原始設(shè)計(jì)方案的支架在強(qiáng)度和螺栓連接可靠性方面均不滿足設(shè)計(jì)要求。在對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后再次對模型進(jìn)行仿真分析，證明了優(yōu)化后方案在強(qiáng)度和螺栓連接可靠性方面得到改善，滿足了設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用有限元法對結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析，可以在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，縮短研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：6.

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[3]馬天龍.汽車制動(dòng)油管疲勞強(qiáng)度分析及其CAE仿真[J].天津科技，2020，47（04）：50-52.

[4]張波.基于ABAQUS的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架有限元分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（12）：233-236.