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基于Abaqus的发动机空压机支架的有限元分析
朱凌云路明李波
(江淮汽车股份有限公司技术中心动力研究院,安徽合肥,230601)
摘要:本文从引起支架失效的各种原因出发,建立了从振动、应力分布、疲劳强度等多个
方面综合考虑的空压机支架有限元分析流程,并应用Abaqus软件对某汽油机的空压机支架
进行了有限元分析。
关键词:支架振动应力接触疲劳
1、引言
空压机支架是发动机空压机的关键支撑件,其可靠性直接影响着空压机甚至整个发动机
能否正常工作。因此,在发动机的设计阶段,对空压机支架进行有限元分析是非常必要的。
当前,支架有限元分析方法大都只考虑了其在装配载荷作用下的应力分布情况,也有对支架
在发动机转速激励下振动进行了分析,而考虑支架在发动机运行期间受到各个方向产生的反
复瞬时冲击引起的疲劳破坏还很少见。
本文从振动、应力分布、接触面滑移与疲劳强度多个方面综合考虑,建立了空压机支架
的有限元分析流程,并根据流程,采用Abaqus等软件对某汽油机空压机支架进行了有限元
分析。
2、分析流程
CAD模型
HyperMesh
优化设计优化设计
FEA模型
Abaqus
模态分析
强度分析(装配载荷+重
力加速度+皮带拉力)
接触面分析
fmin?(1.3?0.1)?滑移量与接触背压评价
f
2nd
评价准则
FemFat
高周疲劳分析
SF1.1
完成
图1空压机支架有限元分析流程
引起空压机支架失效的原因主要有以下几个方面:
(1)支架总成(包括支架、发电机、空压机等)的共振带宽在发动机转速范围内,由于
共振造成失效;
(2)支架的装配力不足,造成支架松动,接触面滑移,加剧振动破坏;
(3)发动机运行期间会在支架的各个方向产生反复的瞬时冲击,造成支架的疲劳破坏。
根据上述支架失效原因,建立了空压机支架的有限元分析流程,如图1所示。
3、有限元分析
3.1有限元模型
根据空压机支架在发动机上实际安装状态,其有限元模型应包括空压机、空压机支架、
部分油底壳、部分缸体以及相关的连接螺栓。有限元网格在HyperMesh软件完成,边界条
件在Abaqus软件中施加,不同的分析过程施加不同的边界条件,有限元网格模型如图2所
示。
图2支架的网格模型
3.2材料属性与边界约束
表1为各零件所用打材料及材料参数,其中空压机的密度是根据其实物重量与其模型的
体积相除得到。模型的边界约束如图3所示。
表1各零件的材料及其属性
部件材料名称密度[t/mm3]弹性模量[MPa]泊松比[-]
支架AlSi9Cu3-F2.75e-97.1E40.31
空压机铝合金5.3e-97.4E40.30
缸体HT2507.3e-91.1E40.26
油底壳AlSi9Cu3-F2.75e-97.1E40.31
螺栓steel7.86e-92.1E50.3
图3模型的边界约束
3.3计算模态分析
模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得,这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。模
态分析所的最终目标在是识别出系统的模态参数,为结构系统的振动特性分析、振动故障诊
断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。其实模态分析就是要认识清楚模态频率、
模态阻尼和模态振型这三个模态参数。了解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。
支架的计算模态分析就是获取支架在约束状态下的共振频率值,以考察支架在发动机运
行期间是否发生共振。由于发动机的二阶激励最大,因此,要想避免支架在发动机运行期间
发生共振破坏,就要求支架的一阶共振频率值
f满足:
min
f
min?(1.3?0.1)?
f
2nd
f2为发动机在持续超速转速下的2阶固有频率值。
nd
支架的模态分析在Abaqus软件选择Lanczos方法,各接触面均定义为*TIE。图4为计
算得到的支架一阶共振频率振型。从图中可以看出,支架的1阶模态共振频率值为250.61Hz,
该发动机的最大持续转速为5850rpm,其2阶激励为195Hz,支架的一阶共振频率值
f大
min
于1.2倍
f
2,因此,支架设计满足避振要求。
nd
图4支架的1阶模态云图
3.4应力分析
1)螺栓预紧力
支架的螺栓为规格M88.8,计算得到其最大、最小预紧力分别为19.8KN、12.4KN,最
小螺栓预紧力用于考察
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