發(fā)動機增壓器隔熱罩的設(shè)計與仿真

段良坤，曾超，劉倫倫，謝永勝，吳寶鑫

(內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；濰柴動力股份有限公司，山東省濰坊市 261061)

0 引言

產(chǎn)品輕量化設(shè)計和降低其故障率是機械制造行業(yè)的主旋律。發(fā)動機的振動和噪聲，也是我們關(guān)注的重點。在發(fā)動機表面輻射噪聲中，薄壁件產(chǎn)生的噪聲占比較大。對于表面溫度較高的薄壁件，限制了橡膠等阻尼材料的應用，對其結(jié)構(gòu)進行改造是主要改進方向[1]。因此，有必要對發(fā)動機薄壁件進行模態(tài)分析，來有效避免由外界激勵引起的共振，造成零件的失效[2]。據(jù)統(tǒng)計，2018年某型號增壓器隔熱罩故障2 000余起，故障模式分布如圖1所示。通過對故障模式進行分析，對零件結(jié)構(gòu)進行降故障率的改進設(shè)計。

圖1增壓器隔熱罩故障模式統(tǒng)計

增壓器隔熱罩故障模式主要以斷裂和裂紋為主，這兩項占總故障數(shù)的98.5%。因此，減少斷裂和裂紋是降低增壓器隔熱罩故障率的主要改進方向。增壓器與隔熱罩不是同步開發(fā)，增壓器上缺少了固定隔熱罩的固定端，導致隔熱罩懸臂過長。缺少有效固定，是造成隔熱罩斷裂的根本原因。在現(xiàn)有固定邊界基礎(chǔ)上，可以通過創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化現(xiàn)有隔熱罩結(jié)構(gòu)，提升隔熱罩的可靠性，降低故障率。

1 隔熱罩可靠性評價指標

1.1 模態(tài)

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，只有存在激勵時結(jié)構(gòu)才產(chǎn)生振動響應。增壓器隔熱罩在發(fā)動機點火激勵或者作業(yè)工況激勵下將按照特定頻率產(chǎn)生振動，這個特定的振動頻率稱為增壓器隔熱罩的固有頻率，針對增壓器隔熱罩系統(tǒng)可用公式表示為

(1)

式中，ωd表示隔熱罩固有振動圓頻率；ξ表示系統(tǒng)阻尼比；k表示系統(tǒng)剛度；m表示系統(tǒng)質(zhì)量。結(jié)構(gòu)件的阻尼比一般都小于0.1，影響系統(tǒng)模態(tài)的主要因素為剛度和阻尼。

1.2 強度

強度是材料抵抗破壞的能力，通常包含屈服強度和抗拉強度，對于塑性材料通常考察材料的屈服強度。

1.3 疲勞

高周疲勞是指材料在低于其屈服強度的循環(huán)應力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂[3]。主要為結(jié)構(gòu)上的某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程稱為疲勞。

2 隔熱罩可靠性分析

現(xiàn)有隔熱罩材料為不銹鋼板沖壓制造成型，選用的材料壁厚為1.5 mm。材料屬性，如表1所示。

表1 增壓器隔熱罩材料屬性

為了分析增壓器隔熱罩實際的工作狀態(tài)，需對其固定邊界進行約束，并進行有限元仿真分析和錘擊試驗模態(tài)分析[4]。為比較增壓器隔熱罩的可靠性，根據(jù)測試對標經(jīng)驗，分別在增壓器隔熱罩三個方向施加15 g重力加速度，對不同厚度增壓器隔熱罩進行有限元仿真，仿真結(jié)果如表2所示。根據(jù)隔熱罩材料屬性可以得到材料在對稱循環(huán)應力下的應力幅值為176.8 Mpa，對應Haigh圖如圖2所示。

從仿真結(jié)果來看，隨著增壓器隔熱罩厚度的增加，系統(tǒng)一階模態(tài)頻率值逐漸增大，增壓器隔熱罩的Mises應力逐漸減小，且?guī)|片的優(yōu)勢愈加明顯。但是1～2 mm厚隔熱罩的一階模態(tài)頻率值都小于發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min對應的點火激勵頻率95 Hz，系統(tǒng)模態(tài)不滿足要求。1.5 mm厚隔熱罩的一階模態(tài)振型圖和Mises應力圖如圖3和圖4所示。

表2 增壓器隔熱罩仿真結(jié)果

圖2不銹鋼材料Haigh圖

圖31.5 mm厚隔熱罩振型圖

圖41.5 mm厚隔熱罩Mises應力圖

總體來說：1 mm厚隔熱罩最大Mises應力均高于材料的屈服強度；1.5 mm厚隔熱罩最大Mises應力接近材料的疲勞極限，極限載荷工況下存在失效風險；2 mm厚隔熱罩的最大Mises應力滿足要求，但不符合企業(yè)輕量化設(shè)計的要求。1.5 mm和2 mm厚隔熱罩加墊片有利于提升隔熱罩系統(tǒng)模態(tài)，同時對隔熱罩應力值的降低有著明顯的效果。

3 新型隔熱罩設(shè)計

增壓器隔熱罩是發(fā)動機渦輪增壓的重要組成部分，其主要功能是阻隔增壓器對發(fā)動機外圍零部件的熱輻射，起到隔熱與防護的作用[5]。目前可通過形貌優(yōu)化加筋的方式提高增壓器隔熱罩模態(tài)[6]，但是針對某些結(jié)構(gòu)提升效果不明顯。對于熱輻射方面，常用的評價指標為發(fā)射率，通常發(fā)射率越低，熱反射能力越強。增壓器隔熱罩材料通常為不銹鋼，發(fā)射率為0.22，而鋁制隔熱罩的發(fā)射率為0.04，鋁材的熱反射能力明顯優(yōu)于不銹鋼材；對于熱傳導方面，通常用熱傳導率來衡量，熱傳導率越高，熱傳導能力越強，隔熱性能也越差。不銹鋼材和鋁材的熱傳導率分別為17和237，不銹鋼材的隔熱性能要優(yōu)于鋁材。對于同等厚度的不銹鋼材與鋁材，鋁材的剛度同樣低于不銹鋼材，所以上述增壓器隔熱罩不能用鋁材完全替代，鋁材的材料參數(shù)如表3所示。

結(jié)合上述分析，與供方聯(lián)合開發(fā)了一款新型隔熱罩，其主體結(jié)構(gòu)如圖5所示。隔熱罩主體為不銹鋼材壁厚1.5 mm，主體上部焊接墊片，下部通過鉚釘固定隔熱罩內(nèi)層與外層。內(nèi)層材料為鋁材，厚度為0.5 mm，起到良好的熱反射效果，阻止增壓器熱量向外圍輻射。外層材料為不銹鋼材厚度為0.3 mm，既起到提高隔熱罩剛度的作用，又優(yōu)于鋁材的隔熱性能，內(nèi)外層的整體厚度較薄，既達到了輕量化的設(shè)計要求，又對提高隔熱罩的模態(tài)具有正面的作用。

表3 鋁材材料參數(shù)

圖5新型增壓器隔熱罩

對新型增壓器隔熱罩進行有限元仿真，當新型隔熱罩的主體壁厚為1.5 mm帶墊片時，原結(jié)構(gòu)的整體重量為0.8383 kg，新結(jié)構(gòu)降重率達到41%，輕量化效果較為顯著。一階模態(tài)振型圖和Mises應力如圖6和圖7所示。與原結(jié)構(gòu)進行對比可得，新型的增壓器隔熱罩的一階模態(tài)頻率數(shù)值為124.9 Hz，高于發(fā)動機點火激勵頻率31.5%，模態(tài)頻率值滿足要求。同原結(jié)構(gòu)施加相同外載，新型增壓器隔熱罩的最大Mises應力值為14.5 MPa，遠低于不銹鋼材和鋁材的屈服應力限值，同樣低于材料在交變應力載荷下的疲勞應力極限。

圖6新結(jié)構(gòu)一階模態(tài)振型圖

圖7新結(jié)構(gòu)Mises應力圖

4測試試驗

運用噪聲振動分析儀和三向加速度傳感器對增壓器隔熱罩原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)進行振動頻率和振動速度的對比試驗。新結(jié)構(gòu)帶墊片為方案一，不帶墊片為方案二。試驗件結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示。

圖8原結(jié)構(gòu)增壓器隔熱罩

圖9新結(jié)構(gòu)增壓器隔熱罩

原地升速工況，對發(fā)動機增壓器隔熱罩進行振動測試，隔熱罩測點如圖10所示。

圖10增壓器隔熱罩測試點位置

試驗中，振動烈度為三個方向振動速度平方和的開方，振動速度為5～200 Hz頻率范圍內(nèi)的有效值；以發(fā)動機飛輪端指向自由端為X方向，豎直方向為Z向，根據(jù)右手定則確定Y方向，增壓器隔熱罩不同位置振動試驗數(shù)據(jù)如圖11所示。

增壓器隔熱罩安裝螺栓附近測點：原狀態(tài)與方案二的振動狀態(tài)基本一致，全轉(zhuǎn)速振動幅值小于30 mm/s。方案一在中、高轉(zhuǎn)速區(qū)域振動相對較大，但振動幅值均小于45 mm/s。增壓器隔熱罩上外部測點：方案二振動較大，在怠速及1 250 r/min時，振動較大，達到75 mm/s，為局部存在共振63 Hz共振所致;原狀態(tài)與方案一相差不大，振動基本小于40 mm/s。增壓器隔熱罩下外部測點：原結(jié)構(gòu)在680 r/min時振動較大，達到200 mm/s。經(jīng)分析，此為存在67 Hz共振導致。綜合分析，方案一最優(yōu)振動小于80 mm/s。增壓器隔熱罩振動頻譜ColorMap圖如圖12所示。

圖11隔熱罩不同測點振動速度

圖12增壓器隔熱罩振動頻譜

由圖3和圖6可得，原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)方案一仿真一階頻率值分別為66.9 Hz和124.9 Hz。原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)方案一測試的一階模態(tài)頻率值分別為67.5 Hz和51.7 Hz。新結(jié)構(gòu)測試與仿真的結(jié)果對標存在較大差距。分析主要原因為在隔熱罩上固定三向加速度傳感器(質(zhì)量：2×0.2 kg)，占隔熱罩系統(tǒng)質(zhì)量的百分比分別為27.9%和38.6%，導致系統(tǒng)質(zhì)量增加，從而模態(tài)降低。顯然質(zhì)量變化越大對系統(tǒng)模態(tài)影響也越大，同時新結(jié)構(gòu)整體壁厚較原

結(jié)構(gòu)變薄，導致其系統(tǒng)剛度減小，故模態(tài)對質(zhì)量的變化更加敏感。因此，重新對標仿真結(jié)果，在隔熱罩上相關(guān)測點位置耦合質(zhì)量點，重新仿真得到的結(jié)果分別如圖13和圖14所示。原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)方案一仿真一階頻率值分別為64.2 Hz和54.8 Hz，試驗結(jié)果相對仿真結(jié)果的誤差分別為動速度。

圖13原結(jié)構(gòu)耦合質(zhì)量點一階模態(tài)振型

圖14新結(jié)構(gòu)方案一耦合質(zhì)量點一階模態(tài)振型

5 結(jié)論

基于柴油機增壓器隔熱罩故障模式，進行理論分析與仿真，得出以下結(jié)論：

(1)通過對原結(jié)構(gòu)增壓器隔熱罩進行模態(tài)和應力對比分析，得出當前應用增壓器隔熱罩存在風險，增加墊片和增加隔熱罩厚度有利于提高模態(tài)，但不滿足輕量化的設(shè)計要求,增加墊片能有效降低系統(tǒng)的振動速度。

(2)設(shè)計的新型的增壓器隔熱罩，一階模態(tài)頻率高于原結(jié)構(gòu)且Mises應力小于原結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)可靠性和輕量化方面具備優(yōu)越性。

(3)通過對隔熱罩的振動測試，驗證了新結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，通過仿真的對標，得出系統(tǒng)質(zhì)量對薄壁件的仿真精度有著較大影響。