某柴油機(jī)油底殼仿真計(jì)算分析

高迎賓　袁帥　潘效龍　李艷君

摘要：本文利用ABAQUS結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)某發(fā)電用柴油機(jī)油底殼進(jìn)行模態(tài)、強(qiáng)度計(jì)算。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下，油底殼底部為懸空狀態(tài)，模態(tài)計(jì)算結(jié)果顯示油底殼一階模態(tài)距發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)頻率點(diǎn)較近，低于激勵(lì)頻率的1.2倍，模態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求;在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中，油底殼底部壓在裝配臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)在上下方向三倍的重力加速度沖擊載荷工況下，油底殼產(chǎn)生的應(yīng)力最大值低于對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度極限，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)油底殼兩種狀態(tài)下的仿真分析，驗(yàn)證和確保了油底殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，有效避免了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和實(shí)際運(yùn)行過程中故障的發(fā)生。

Abstract： In this paper， the mode and intensity of oil pan have been calculated by using ABAQUS structure simulation soft. In the actual operating condition of the engine， the bottom of the oil pan is suspended， the mode simulation result shows that the first mode of oil pan is not much bigger than excitation frequency of engine， smaller than 1.2 times of engine excitation frequency， the mode is not satisfied to the design demand. During engine assembly， the bottom of the oil pan loads on the assembly table. Under three times impact of gravity， the maximum stress of oil pan is smaller than Yield intensity limit， the intensity is not satisfied to the design demand. The analysis of oil pan simulation verify and guarantee the design. It avoids the engine fault effectively under the assembly and actual operating condition， the fault of engine assembly and actual operation is avoided effectively.

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)仿真;模態(tài);強(qiáng)度;油底殼

Key words： structure simulation;mode;strength;oil pan

0 ?引言

油底殼是發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的零部件，它的設(shè)計(jì)除了要滿足基本的為潤(rùn)滑系統(tǒng)貯存、提供潤(rùn)滑油的要求之外，還要滿足使用可靠性。本文即利用ABAQUS結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)新設(shè)計(jì)油底殼進(jìn)行了可靠性仿真驗(yàn)證，為油底殼的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了指導(dǎo)方向。

1 ?有限元模型

1.1 油底殼建模

油底殼模型如圖1所示，油底殼內(nèi)部有多個(gè)肋板結(jié)構(gòu)，油底殼材料屬性如表1所示。

對(duì)油底殼、機(jī)油及相連接部件齒輪室進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，油底殼外殼、機(jī)油及齒輪室采用二階四面體網(wǎng)格劃分，油底殼內(nèi)部肋板采用殼單元網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示。

1.2 載荷、邊界條件及載荷定義

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，油底殼靠螺栓固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，底部懸空;在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中，油底殼壓在裝配臺(tái)架上，油底殼承載著整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)重量，因此本例模態(tài)和強(qiáng)度計(jì)算的邊界條件不同。另考慮到模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，因此模態(tài)計(jì)算時(shí)，無須對(duì)模型進(jìn)行邊界載荷施加。模態(tài)計(jì)算時(shí)，邊界條件定義如圖3所示，對(duì)油底殼上部螺栓孔、齒輪室螺栓孔進(jìn)行邊界固定。強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，邊界條件定義如圖4所示，對(duì)油底殼與裝配臺(tái)架接觸面進(jìn)行邊界固定，對(duì)整個(gè)有限元模型施加上下兩方向3倍的重力加速度靜力載荷沖擊。模態(tài)和強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，油底殼與齒輪室、油底殼與機(jī)油的接觸面均采用Tie連接。

2 ?有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 模態(tài)分析

對(duì)油底殼約束模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

油底殼一階模態(tài)為106.9Hz，振型如圖5所示，一階模態(tài)高于發(fā)動(dòng)機(jī)最高空車轉(zhuǎn)速（最高空車轉(zhuǎn)速為1800rpm，柴油機(jī)為六缸機(jī)）下點(diǎn)火激勵(lì)頻率90Hz，但與激勵(lì)頻率相差較小，低于激勵(lì)頻率的1.2倍即108Hz，存在一定共振風(fēng)險(xiǎn)。從一階模態(tài)陣型看，變形出現(xiàn)在油底殼底面，因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)增加油底殼底面厚度，或改變底面結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)油底殼底面剛度，從而提高油底殼一階模態(tài)，完全避開共振風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 強(qiáng)度分析

對(duì)油底殼進(jìn)行應(yīng)力分析，在上下兩方向3倍的重力加速度靜力載荷沖擊下，油底殼的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，油底殼在上下方向載荷沖擊下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值相同，均為166.3MPa，低于材料屈服強(qiáng)度極限235MPa。應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在油底殼底座邊側(cè)與油底殼底面的接觸部位，靜強(qiáng)度滿足油底殼的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

3 ?結(jié)論

①模態(tài)計(jì)算結(jié)果顯示油底殼一階模態(tài)距發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)頻率點(diǎn)較近，低于激勵(lì)頻率的1.2倍，一階模態(tài)變形出現(xiàn)在油底殼底面上。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)增加油底殼底面厚度或優(yōu)化底面結(jié)構(gòu)以提高油底殼底面剛度，從而提高油底殼一階模態(tài)，避開共振風(fēng)險(xiǎn)。

②強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示，在上下兩方向3倍的重力加速度靜力載荷沖擊下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值相同，均發(fā)生在油底殼底座邊側(cè)與油底殼底面的接觸部位，最大應(yīng)力值低于油底殼材料的屈服強(qiáng)度極限，油底殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。

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作者簡(jiǎn)介：高迎賓 （1990-），男，山東濰坊人，碩士，研究方向?yàn)槠嘋AE仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。