靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

殷治梅, 孫勇, 仇海龍, 吳寧寧

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

靜音發(fā)電機(jī)組因噪音低、外型美觀，越來越多地應(yīng)用在醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、銀行等對(duì)噪聲及外觀要求較高的公共場(chǎng)所。隨著發(fā)電機(jī)組市場(chǎng)需求變化和技術(shù)升級(jí)，節(jié)約開發(fā)成本、提高可靠性的產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)也越來越多地應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)。為了保證發(fā)電機(jī)組工作的安全性和可靠性，發(fā)電機(jī)組靜音箱進(jìn)行吊裝時(shí)應(yīng)盡量保持水平[1-2]。靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分重要，必須保證整個(gè)機(jī)組吊裝過程的安全性及平衡性，一旦吊裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，輕則導(dǎo)致吊耳變形斷裂，重則導(dǎo)致機(jī)組掉落到地面，造成嚴(yán)重?fù)p失。傳統(tǒng)的靜音箱機(jī)艙頂部有4個(gè)吊耳，需要2組吊裝橫梁來支撐吊耳，盡管吊裝方式能夠保證吊裝的安全性及平衡性，但吊耳和吊裝橫梁僅在吊裝時(shí)使用，一定程度上造成了設(shè)計(jì)浪費(fèi)和成本增加。隨著CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用和輕量化設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的提高，為了進(jìn)一步減輕靜音箱的質(zhì)量，在保證吊裝安全可靠的前提下，工程中也逐漸采用1組吊裝橫梁和2個(gè)吊耳的吊裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

本文中采用CAE仿真技術(shù)對(duì)1組吊裝橫梁和2個(gè)吊耳的優(yōu)化吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、位移分析，評(píng)估優(yōu)化吊裝結(jié)構(gòu)的可靠性和平衡性，為吊裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[3-4]。

1 靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)

靜音發(fā)電機(jī)組主要部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、底盤、水箱、靜音箱體、吊裝橫梁、吊耳等。底盤主要由H型鋼和鋼板焊接而成，承受發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的質(zhì)量、振動(dòng)加速度及扭轉(zhuǎn)等附加載荷[5-7]，柴油機(jī)曲軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心線的同軸度要求高，底盤必須具有較高的強(qiáng)度；靜音箱體的強(qiáng)度要求不高，箱體周圍有進(jìn)排氣格柵，面板主要采用冷軋鋼板剪切、沖壓制作，包裹在發(fā)電機(jī)組外圍，起到隔音降噪的作用[8-10]；吊裝橫梁及吊耳由H型鋼和鋼板焊接而成，在機(jī)組吊裝時(shí)起支撐作用，吊裝結(jié)構(gòu)需滿足吊裝過程的強(qiáng)度及平衡性要求。

靜音發(fā)電機(jī)組原吊裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，有2組吊裝橫梁和4個(gè)吊耳，吊裝時(shí)4個(gè)吊耳同時(shí)起吊，能保證較好的平衡性。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的吊裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，將2組吊裝橫梁、4個(gè)吊耳優(yōu)化為1組吊裝橫梁、2個(gè)吊耳，適當(dāng)調(diào)整了梁的寬度，在吊耳處增加了加強(qiáng)板，并對(duì)吊耳的厚度和有效半徑等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后的吊裝結(jié)構(gòu)總質(zhì)量減少約100 kg。

圖1 靜音發(fā)電機(jī)組原吊裝結(jié)構(gòu) 圖2 靜音發(fā)電機(jī)組優(yōu)化后吊裝結(jié)構(gòu)

2 力學(xué)性能分析

2.1 理論基礎(chǔ)

吊裝方案設(shè)計(jì)時(shí)，為了確定吊裝橫梁的位置，首先需要計(jì)算整個(gè)發(fā)電機(jī)組的質(zhì)心：

(1)

式中：xc、yc、zc為質(zhì)心的坐標(biāo)，mm；mi為第i個(gè)零部件的質(zhì)量，kg；xi、yi、zi分別為第i個(gè)零部件的質(zhì)心距離坐標(biāo)原點(diǎn)在x、y、z方向的距離，mm。

將每個(gè)零部件的質(zhì)量及距原點(diǎn)的距離帶入公式，計(jì)算得到機(jī)組的質(zhì)心位置為(1945.8 mm，671.2 mm，812.9 mm)。根據(jù)質(zhì)心位置選擇吊裝橫梁位置。

吊裝結(jié)構(gòu)材料為Q345A，材料主要參數(shù)如表1所示。

表1 吊裝結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

對(duì)吊耳危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力校核，吊耳的開孔處為危險(xiǎn)截面[11-12]，吊耳強(qiáng)度應(yīng)滿足：

(2)

(3)

式中：τ1為吊耳實(shí)際承受的剪應(yīng)力，MPa；g為自由落體加速度；δ1為吊耳實(shí)際承受的拉應(yīng)力，MPa；β為載荷系數(shù)，β=1.5；m為發(fā)電機(jī)組總質(zhì)量，kg；n為吊耳個(gè)數(shù)，n=2；S為吊耳受力面積，mm2；R為吊耳板外邊緣有效半徑，mm；r為吊耳板內(nèi)邊緣有效半徑，mm。

優(yōu)化前后吊耳強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果如表2所示(表中Δ為吊耳外緣和內(nèi)緣的有效半徑之差)。

表2 優(yōu)化前后吊耳強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化前吊耳厚度為12 mm，Δ=20 mm，由計(jì)算結(jié)果可知，剪應(yīng)力τ1<[τ]，拉應(yīng)力δ1≮[δ]，優(yōu)化前吊耳強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求；優(yōu)化后吊耳厚度為14 mm，Δ=40 mm，由計(jì)算結(jié)果可知，剪應(yīng)力τ1<[τ]，拉應(yīng)力δ1<[δ]，優(yōu)化后吊耳強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

選用吊耳厚度為14 mm，Δ=40 mm的吊耳進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 有限元模型

有限元法已廣泛應(yīng)用于吊裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[13-14]。吊裝結(jié)構(gòu)受力分析常采用彈性有限元模型，材料變形服從胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系。彈性有限元基本方程包括平衡方程、幾何方程和物理方程，描述彈性體內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和外力之間的關(guān)系。

靜音發(fā)電機(jī)組有限元模型如圖3所示。

圖3 靜音發(fā)電機(jī)組有限元模型

由于吊裝結(jié)構(gòu)外形對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，有限元仿真模型不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和水箱的外形，僅考慮其質(zhì)量和質(zhì)心位置。將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和水箱模型簡(jiǎn)化為在質(zhì)心位置的質(zhì)點(diǎn)，并與底盤建立相對(duì)應(yīng)的接觸關(guān)系，在Abaqus中直接對(duì)質(zhì)點(diǎn)施加載荷。底盤及吊裝梁質(zhì)量為三維模型，吊耳中間上方1.5 m處設(shè)置吊點(diǎn)。網(wǎng)格劃分采用Hypermesh中計(jì)算結(jié)果較為精確C3D10M類型網(wǎng)格。

2.3 載荷工況及邊界條件

吊裝橫梁和吊耳在機(jī)組起吊時(shí)承受載荷，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、水箱、底盤、吊裝結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，載荷系數(shù)K=1.5，通過施加1.5g模擬1.5倍的載荷系數(shù)。將吊鉤位置設(shè)為有限元節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)各個(gè)方向的位移全部進(jìn)行約束[15-16]。

3 仿真結(jié)果分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 結(jié)果分析

靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真結(jié)果如圖4所示。位移仿真結(jié)果如圖5所示(標(biāo)尺為y方向位移，mm)。

由圖4可知，吊耳孔最大應(yīng)力為67 MPa，位于吊耳中心孔上方，小于材料Q345A的許用應(yīng)力202.9 MPa，優(yōu)化后的吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖4 靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 圖5 靜音發(fā)電機(jī)組吊裝位移云圖

以位移衡量起吊的平衡性，由圖5可知，吊裝時(shí)整體質(zhì)心偏向發(fā)電機(jī)端，發(fā)電機(jī)端最大下沉位移為54.16 mm，滿足靜音發(fā)電機(jī)組的吊裝平衡性要求(此發(fā)電機(jī)組偏移量設(shè)計(jì)允許范圍為≤100 mm)。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)新設(shè)計(jì)的靜音發(fā)電機(jī)組按照試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行吊裝試驗(yàn)，吊裝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。吊裝時(shí)選用圓形吊裝帶，將發(fā)電機(jī)組吊離地面50 cm時(shí)靜載5 min，觀察吊裝結(jié)構(gòu)變形和受損情況以及機(jī)組的平衡性。吊裝試驗(yàn)共重復(fù)進(jìn)行5次，吊裝試驗(yàn)結(jié)束后，吊裝結(jié)構(gòu)無變形及受損；通過水平測(cè)量?jī)x測(cè)得靜音機(jī)箱每次吊裝的垂直偏移分別為51.8、52.0、52.3、51.9、52.1、52.0 mm，均小于吊裝偏移允許范圍，試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)的吊裝結(jié)構(gòu)滿足發(fā)電機(jī)組的吊裝要求。

圖6 靜音發(fā)電機(jī)組吊裝試驗(yàn)

4 結(jié)語

以材料力學(xué)和理論力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合靜音箱吊裝結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用工況，對(duì)傳統(tǒng)靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將2組吊裝橫梁、4個(gè)吊耳簡(jiǎn)化為1組吊裝橫梁、2個(gè)吊耳，利用網(wǎng)格繪制軟件Hypermesh、仿真軟件Abaqus對(duì)優(yōu)化的靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移進(jìn)行仿真分析，通過試驗(yàn)檢驗(yàn)優(yōu)化后吊裝結(jié)構(gòu)的可靠性和吊裝平衡性。

1)優(yōu)化后靜音發(fā)電機(jī)組吊裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足使用要求。

2)優(yōu)化后靜音發(fā)電機(jī)組垂直方向位移的仿真計(jì)算結(jié)果為54.16 mm，與吊裝試驗(yàn)結(jié)果位移 52 mm比較接近，滿足設(shè)計(jì)允許偏移量小于等于100 mm的要求。

3)吊裝結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，質(zhì)量減小約100 kg，靜音發(fā)電機(jī)組更加輕量化，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本，增大了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。