基于Abaqus的汽車發(fā)動機機油濾清器濾座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計*

周瑞麗，鄭卿易，畢向秋

(1．臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺州 318000;2．臺州市福鑫汽車零部件有限公司，浙江臺州 317016;3．博世電動工具(中國)有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

汽車發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中，機油濾清器起著去除機油中雜質(zhì)、確保機油清潔及延長發(fā)動機使用壽命的重要作用［1］。濾清器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，既要保證濾油量，又要增加螺桿的強度。中小型汽車零部件制造企業(yè)機油濾清器結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依靠經(jīng)驗公式，試制后進行臺架試驗，如未通過臺架試驗，設(shè)計試制過程要反復(fù)進行，增加制造成本。

某型號機油濾清器，在臺架試驗過程中，濾座出現(xiàn)中間孔破裂和后側(cè)裂紋的失效狀態(tài)。為滿足濾座實際工作要求，需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案周期較長，運用數(shù)值模擬的方法，以螺紋強度理論分析為基礎(chǔ)，借助Abaqus對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)強度進行對比分析，再通過試驗驗證優(yōu)化設(shè)計的有效性。

1 濾油器工作狀態(tài)及失效原因分析

濾清器總成如圖1所示，濾座下方零部件通過螺桿與濾座中間螺紋孔進行連接。濾座在工作中，除了承受內(nèi)部油壓作用以外，還要承受螺桿所連接重物載荷。螺紋孔與螺桿的旋合雖然有一定的擰緊力矩，但因螺紋孔的長度大于螺桿的長度，在擰緊力矩的作用下，螺桿受拉，在螺紋孔里可以自由伸長，螺紋孔所受的載荷為螺桿傳遞來的下部零件的重量載荷，與擰緊力矩?zé)o關(guān)［2］，螺紋孔處實際工作載荷包括下部零件的重量載荷和油腔油壓作用。

失效螺桿與螺孔的旋合狀態(tài)如圖2所示，螺桿頭部一部分螺紋旋合到螺紋孔尾部。因螺紋孔尾部螺紋牙底逐漸變淺，擰緊力矩作用下，螺桿有受拉伸長趨勢，而螺桿遇變淺的螺孔尾部無法有效旋合，被螺孔尾部卡住，卡住的螺桿在擰緊力矩作用下產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力通過螺紋，傳遞到螺孔尾部位置，這一位置正是破裂位置。

圖1 濾清器總成爆炸圖

圖2 中間螺紋孔的旋合狀態(tài)

在這工作情況下，濾座受力相當于工作載荷和預(yù)緊力的共同作用。螺栓總拉應(yīng)力由軸向工作載荷F和剩余預(yù)緊力F″共同作用，由式(1)～(4)得出螺紋孔內(nèi)牙所承受軸向力［3］。為提高有限元分析效率，將中間螺孔螺紋特征簡化為光滑圓孔，圓孔尺寸取內(nèi)螺紋大徑模擬螺紋牙底，用螺桿與螺紋孔的摩擦和扭轉(zhuǎn)合成為所需力邊界條件對螺桿與螺桿孔的相互作用進行描述。若螺紋牙的彈性變形是協(xié)調(diào)的，則外螺紋連接部位產(chǎn)生軸向壓縮變形，而內(nèi)螺紋連接部位產(chǎn)生軸向拉伸變形［4］。

2 數(shù)值模擬分析

2．1 分析模型建立

根據(jù)濾座在臺架試驗中的失效狀態(tài)，分析中將濾座作為分析重點關(guān)注零件，并將濾座中間螺桿螺紋孔作為重點關(guān)注部位。按照濾座各部分尺寸對模型進行簡化處理，濾座關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。運用Hypermesh進行網(wǎng)格劃分，堵頭等回轉(zhuǎn)體零件劃分為六面體單元，以提高分析效率;濾座結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，劃分為四面體單元，為保證分析精度，對分析重點關(guān)注的中間孔處單元進行網(wǎng)格加密處理。整個濾座有限元模型如圖4所示，單元總數(shù)為379 956。

以Abaqus為計算平臺，對濾座進行結(jié)構(gòu)強度有限元分析，可以方便地模擬油腔、管路、接頭以及纖維加強結(jié)構(gòu)等實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為［5］。

圖3 濾座螺紋部分結(jié)構(gòu)

圖4 濾座有限元模型

2．2 邊界條件與材料模型

濾座實際工作壓力為0．3～0．6 MPa，臺架實驗中油壓為1．5 MPa，在濾座內(nèi)所有承壓位置施加1．5 MPa的壓力，模擬臺架測試中的油壓作用;通過失效原因分析可知，所施加到中間孔部的力邊界條件，除了螺桿下部零件載荷，還包括由擰緊力矩產(chǎn)生的載荷。濾座是分析重點關(guān)注零件，材料模型定義為彈塑性模型。堵頭材料為45#鋼，不是分析重點關(guān)注零件，材料模型定義為彈性模型［6］。

3 原始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

原始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖5～7所示，零件等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布趨勢較為一致。應(yīng)力較大的區(qū)域主要出現(xiàn)在兩個位置:一是中間孔內(nèi)距孔端面一定距離處，這一位置的最大等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力均超過了145 MPa(材料疲勞極限)，局部區(qū)域最大主應(yīng)力達365 MPa，遠超過了材料的疲勞極限，臺架試驗中的破壞位置也位于此處。應(yīng)力較大的另一區(qū)域位于濾座后側(cè)連接圓角位置，應(yīng)力介于90～120 MPa之間，接近材料的疲勞極限，實際臺架試驗中，這一位置出現(xiàn)了裂紋。

圖5 中間孔等效應(yīng)力分布云圖

圖6 中間孔最大主應(yīng)力分布云圖

圖7 后側(cè)圓角等效應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)構(gòu)改進設(shè)計及數(shù)值分析結(jié)果

4．1 結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

由上述分析結(jié)果可知，濾座中間孔臺架試驗失效主要是因為中間孔內(nèi)螺紋長度較短和中間孔和油腔底部強度不足造成中間孔失效，后側(cè)裂紋主要是油壓作用下，油腔底部外側(cè)強度不足造成。針對數(shù)值模擬分析的三個原因，進行結(jié)構(gòu)改進，改進后幾何結(jié)構(gòu)及有限元模型如圖8、9所示。

圖8 改進部位結(jié)構(gòu)簡圖

圖9 改進結(jié)構(gòu)有限元模型

除上述應(yīng)力較大的位置外，濾座內(nèi)承受油壓的油腔底部圓角位置應(yīng)力達90 MPa，可考慮進一步加強圓角結(jié)構(gòu)。

①增加中間孔內(nèi)螺紋長度;②將油腔底部圓角結(jié)構(gòu)設(shè)計為凸臺結(jié)構(gòu)，在中間孔旁小油孔處增加圓角;③在承受油壓的油腔底部外側(cè)增加加強肋。

4．2 改進結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

圖10～12分別為改進結(jié)構(gòu)有限元分析的等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布云圖。

圖10 改進后中間孔等效應(yīng)力分布云圖

圖11 改進后中間孔最大主應(yīng)力分布云圖

圖12 改進結(jié)構(gòu)后側(cè)圓角應(yīng)力分布云圖

由圖可見，改進結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力均有明顯降低，中間孔的等效應(yīng)力介于20～50 MPa，最大主應(yīng)力介于20～60 MPa，與疲勞極限相比，具有一定的安全系數(shù)。濾座后側(cè)連接圓角等效應(yīng)力介于40～60MPa，濾座承壓油腔底部圓角應(yīng)力也降至安全范圍內(nèi)，較原始結(jié)構(gòu)，這些位置的應(yīng)力有明顯改善。改進結(jié)構(gòu)試制后，通過臺架試驗，未發(fā)生原始結(jié)構(gòu)臺架試驗中出現(xiàn)的中間孔破裂及后側(cè)裂紋等缺陷，濾座結(jié)構(gòu)能夠滿足濾清器工作狀態(tài)的要求。

5 結(jié)語

原始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果與臺架試驗失效狀態(tài)完全一致，充分驗證了分析方案及邊界條件的合理性;以分析結(jié)果作為參考而設(shè)計的改進結(jié)構(gòu)，從數(shù)值模擬和臺架試驗兩個角度進行驗證，并得出改進結(jié)果有效的結(jié)論。研究表明，結(jié)合機械設(shè)計相關(guān)理論確定邊界條件，再運用數(shù)值模擬方法對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度進行分析，可以準確的模擬零件在工作中的應(yīng)力狀態(tài)，能指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，為設(shè)計方案確定提供指導(dǎo)和參考。

［1］ 鄭 勁，張子成．汽車發(fā)動機構(gòu)造與維修［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

［2］ 濮良貴，紀名剛．機械設(shè)計［M］．北京:高等教育出版社，1996．

［3］ 周先輝，孫友松，張爾文．基于有限元方法的傳動螺紋螺牙軸向載荷分布規(guī)律分析［J］．機械設(shè)計與制造，2008(1):16－18．

［4］ 楊 強，苗德華，王艷麗，等．螺母牙形及旋合長度對螺栓牙根部應(yīng)力的影響［J］．天津工程師范學(xué)院學(xué)報，2007(3):29－32．

［5］ 李 毅．基于ABAQUS的過盈配合有限元數(shù)值仿真［J］．制造業(yè)自動化，2012(8):148－150．

［6］ 趙前成，呂 浩，楊昌林，等．油泵月牙板結(jié)構(gòu)強度仿真分析［J］．機械研究與應(yīng)用，2014(4):94－95．