基于ANSYS Workbench的柴油機(jī)高壓油管仿真分析*

李龍 馮國(guó)勝 蘇海峰

（1.石家莊鐵道大學(xué)；2.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

隨著柴油機(jī)功率的不斷提升，人們對(duì)柴油機(jī)的排放也提出更高的要求，同時(shí)，各個(gè)廠家也對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了不斷的強(qiáng)化，用以提高柴油機(jī)的性能。高壓油管是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)必不可少的重要組成部分[1]，在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)高壓油管在工作一段時(shí)間后常常會(huì)出現(xiàn)柴油滲漏的現(xiàn)象，說(shuō)明高壓油管出現(xiàn)裂紋，這就意味著柴油機(jī)不能長(zhǎng)久正常地工作，由此造成的損失難以想象。因此，對(duì)柴油機(jī)高壓油管的強(qiáng)度和模態(tài)振動(dòng)分析就顯得尤為重要。文章針對(duì)該情況，采用有限元靜力分析與模態(tài)分析相結(jié)合的方法，求解得到柴油機(jī)高壓油管應(yīng)力最大值點(diǎn)和模態(tài)振動(dòng)頻率，發(fā)現(xiàn)是由于柴油機(jī)主要激勵(lì)頻率和高壓油管固有頻率產(chǎn)生共振導(dǎo)致了油管的破裂，通過(guò)添加管夾的方式，避免了共振產(chǎn)生，達(dá)到了提高高壓油管使用壽命的效果，對(duì)提高整個(gè)柴油機(jī)工作壽命具有重要意義。

1 柴油機(jī)高壓油管靜力分析

柴油機(jī)高壓油管靜力分析是計(jì)算在油壓均布載荷作用下高壓油管的位移和應(yīng)力，為分析油管破裂原因提供重要參考。通過(guò)SolidWorks與ANSYS的數(shù)據(jù)接口將油管模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，以便分析油管在油壓均布載荷下的位移和應(yīng)力。為在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)提高運(yùn)算效率，將護(hù)套及緊固螺母部分進(jìn)行簡(jiǎn)化。

高壓油管材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，體積質(zhì)量為7 850 kg/m3，幾何尺寸外徑為Φ6.35mm，內(nèi)徑為Φ1.8mm，油管整體模型，如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)高壓油管三維模型圖

將模型導(dǎo)入Workbench中，分別對(duì)6缸油管進(jìn)行靜力學(xué)分析。網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，對(duì)計(jì)算結(jié)果的難易程度和精確度都有重要影響[2]。文章應(yīng)用ANSYSWorkbench的尺寸控制法和四面體網(wǎng)格控制法，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)可提高運(yùn)算效率，表1示出6缸高壓油管模型網(wǎng)格參數(shù)。

表1 6缸高壓油管模型網(wǎng)格參數(shù)表

邊界條件設(shè)置為：對(duì)進(jìn)出口的3個(gè)自由度進(jìn)行約束，油管內(nèi)部施加180 MPa的均布載荷，最終得到6缸油管的靜力學(xué)位移和應(yīng)力值，如表2所示。位移及應(yīng)力云圖，如圖2所示。

表2 6缸高壓油管位移及應(yīng)力數(shù)據(jù)表

圖2 柴油機(jī)6缸高壓油管位移及應(yīng)力云圖顯示界面

2 柴油機(jī)高壓油管模型模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是為了檢驗(yàn)高壓油管在工作時(shí)是否因與油泵頻率相同或相似而導(dǎo)致共振，致使油管破裂。計(jì)算得到油泵的頻率為110 Hz，根據(jù)故障件統(tǒng)計(jì)[3]，絕大多數(shù)故障發(fā)生在第3缸油管彎管處，因此，求解第3缸油管的固有頻率。

在計(jì)算高壓油管的固有頻率時(shí)，護(hù)套、緊固螺母對(duì)模態(tài)計(jì)算的影響較小，予以忽略。模態(tài)計(jì)算時(shí)，對(duì)進(jìn)出口的3個(gè)自由度進(jìn)行約束[4]，第3缸高壓油管前3階固有頻率的計(jì)算結(jié)果，如表3所示。模態(tài)振型圖，如圖3所示。

表3 柴油機(jī)第3缸高壓油管前3階的固有頻率表Hz

圖3 柴油機(jī)第3缸高壓油管前3階模態(tài)振型顯示界面

由圖3可以看出，第3缸高壓油管的1，2階次振幅最大位置均在彎管處，表3中計(jì)算結(jié)果也與油泵頻率接近，說(shuō)明油管在111 Hz和154 Hz處的振動(dòng)是此頻率共振所致，導(dǎo)致油管斷裂[5]。

3 柴油機(jī)高壓油管的振動(dòng)優(yōu)化

為防止油管斷裂，必須避免柴油機(jī)在正常工作范圍內(nèi)產(chǎn)生共振。由于高壓油管的空間及形狀受很多因素限制，因此，通過(guò)施加固定夾的方式來(lái)改變其固有頻率，改進(jìn)后固定夾位置，如圖4所示。

圖4 柴油機(jī)高壓油管改進(jìn)后固定夾位置示意圖

對(duì)改進(jìn)后的高壓油管進(jìn)行模態(tài)分析，優(yōu)化后的高壓油管前3階固有頻率，如表4所示。從表4可以看出，在柴油機(jī)激勵(lì)頻率下，改進(jìn)后的高壓油管不會(huì)發(fā)生共振。

4 結(jié)論

靜力學(xué)求解結(jié)果顯示，第4缸高壓油管應(yīng)力值最大為463 MPa，該值遠(yuǎn)小于材料疲勞極限，由于本次采用均布載荷方式模擬高壓油管內(nèi)部油壓大小，與實(shí)際情況存在差異，仍需進(jìn)一步改進(jìn)方案。

模態(tài)分析結(jié)果表明，柴油機(jī)主要激勵(lì)頻率和高壓油管固有頻率重合，從而使高壓油管與柴油機(jī)主要激勵(lì)力發(fā)生共振，導(dǎo)致油管出現(xiàn)裂紋。文章通過(guò)增加固定夾的方式提升油管的剛度，并改變了其固有頻率，避免了油管與柴油機(jī)激勵(lì)頻率發(fā)生共振。優(yōu)化后的固定夾有效控制了油管的最大振幅，從而減少了裂紋發(fā)生的可能，對(duì)解決油管出現(xiàn)裂紋問(wèn)題具有重要參考價(jià)值。