基于ANSYS與VDI 2230的發(fā)動機支架分析與改進

胡春陽，李戈操，張 巖，趙娟娟，吳小峰，王以陽

(安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

叉車發(fā)動機支架是重要的發(fā)動機安裝支撐件，與車架上的支架相配合，共同承受來自發(fā)動機的各種載荷的作用，包括發(fā)動機自身的重力、振動載荷以及各種復(fù)雜工況下的沖擊載荷[1,2]。因此，對發(fā)動機支架的強度有很高的要求。

不同款發(fā)動機的支架安裝螺栓孔位置尺寸存在差異，因此叉車在匹配新發(fā)動機時通常需要重新設(shè)計發(fā)動機支架以與發(fā)動機匹配。某叉車在匹配新發(fā)動機后，新設(shè)計的發(fā)動機支架在強化試驗時出現(xiàn)了斷裂損壞的問題。除支架損壞外，發(fā)動機的安裝螺栓也發(fā)生了斷裂。本文以該發(fā)動機支架為研究對象，通過有限元法分析校核其強度，結(jié)合德國標準VDI 2230進行螺栓強度計算校核[3，4]，尋找產(chǎn)生問題的原因，并對其進行結(jié)構(gòu)改進，以解決支架斷裂損壞的問題。

1 發(fā)動機支架及安裝螺栓有限元分析與校核

某發(fā)動機支架損壞情況如圖1所示。

圖1 某發(fā)動機支架損壞情況

1.1 仿真分析模型建立

有限元仿真分析軟件使用ANSYS Workbench，為了使分析結(jié)果盡可能準確，要求仿真模型盡可能與實際保持一致，減少不必要的簡化，為此，在分析模型中包括了發(fā)動機的幾何模型。由于發(fā)動機對支架具有影響的主要為連接位置，為了簡化分析模型，對發(fā)動機模型進行了切割，只保留發(fā)動機和支架連接位置及附近的殼體，然后使用長條形平板將它們連接起來，來模擬發(fā)動機。

分析模型中還包括安裝螺栓并考慮螺栓預(yù)緊力，螺栓使用簡化模型，簡化方法為：螺紋段簡化為光滑圓柱，直徑為螺紋的小徑，螺栓頭部也簡化為光滑圓柱，直徑為螺栓頭部用于壓緊的圓形端面直徑，相應(yīng)地將發(fā)動機殼體上的配合螺栓孔也簡化為直徑為螺紋小徑的光滑圓孔。

發(fā)動機支架直接使用原始結(jié)構(gòu)不做幾何簡化，使用ANSYS中Spaceclaim軟件將支架裝配體組合成為一個零件，同時添加倒角以模擬焊縫。

模型中，發(fā)動機切割殼體零件與連接板之間建立綁定接觸，螺栓與發(fā)動機殼體零件的螺紋孔之間建立綁定接觸，其他可動位置建立摩擦接觸，摩擦因數(shù)取0.15。

模型中發(fā)動機殼體網(wǎng)格大小設(shè)為8 mm，發(fā)動機支架網(wǎng)格大小設(shè)為3.8 mm，連接螺栓及墊圈的網(wǎng)格大小設(shè)為2 mm，螺栓及墊圈使用六面體單元劃分網(wǎng)格，其他使用四面體單元劃分網(wǎng)格，最終得到的網(wǎng)格單元數(shù)為212 812、節(jié)點數(shù)為400 316。

分析考慮的工況為靜態(tài)載荷工況，載荷考慮發(fā)動機及變速箱的重力，取4倍動載系數(shù)[5]。由于分析中考慮螺栓預(yù)緊力，分析模型中設(shè)置2個載荷步，第一載荷步用來施加螺栓預(yù)緊力，第二載荷步用來施加發(fā)動機及變速箱重力。最終得到的發(fā)動機支架約束加載模型如圖2所示。

1.2 發(fā)動機支架強度分析結(jié)果與校核

求解得到的原發(fā)動機支架應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。發(fā)動機支架材質(zhì)為Q235B，屈服強度為235 MPa。由圖3和圖4可知：最大應(yīng)力位于螺栓孔位置，為壓應(yīng)力，不作考慮；發(fā)動機支架在三個螺栓孔位置附近都有較大范圍的應(yīng)力超過了材料屈服強度，局部最大應(yīng)力達到492.9 MPa，可見發(fā)動機支架自身強度不能滿足使用要求，需要進行加強。

圖2 發(fā)動機支架約束加載模型 圖3 原發(fā)動機支架應(yīng)力云圖1 圖4 原發(fā)動機支架應(yīng)力云圖2

1.3 安裝螺栓強度計算結(jié)果與校核

VDI 2230是公認的計算高強度螺栓連接的德國標準，本文以該標準為計算依據(jù)，結(jié)合使用標準的Part 1和Part 2兩部分中的內(nèi)容，以螺栓的幾何尺寸、特性參數(shù)以及分析結(jié)果中提取的螺栓所受反力和反力矩作為初始條件，計算得到發(fā)動機支架下方安裝螺栓的應(yīng)力及幾個安全系數(shù)[6，7]，詳見表1。

表1 依據(jù)VDI 2230計算得到的原發(fā)動機支架下方螺栓強度結(jié)果

說明：VDI 2230計算校核高強度螺栓通?？紤]表1中的4個安全系數(shù)，其中R8工作應(yīng)力校核螺栓受靜載荷時是否發(fā)生塑性變形，R9交變應(yīng)力校核螺栓受循環(huán)載荷時是否發(fā)生疲勞損壞，計算時載荷循環(huán)次數(shù)取值3萬次，R10表面壓強校核受靜載荷時接觸面是否壓縮變形，R12抗滑移安全余量校核接觸面之間是否產(chǎn)生相對滑移。

標準中要求R8、R9和R10的安全系數(shù)不小于1，R12的安全系數(shù)不小于1.2。由表1可以看出，發(fā)動機支架下方螺栓的R8安全系數(shù)不滿足要求，R9在循環(huán)次數(shù)取3萬次時基本滿足要求，當循環(huán)次數(shù)更多時則不滿足要求。因此可以得出結(jié)論，發(fā)動機支架下方螺栓自身的強度不滿足要求。

結(jié)合發(fā)動機支架自身的應(yīng)力結(jié)果以及螺栓計算的安全系數(shù)可以看出，發(fā)動機支架及螺栓強度都不足，都需要進行加強。

發(fā)動機支架應(yīng)力結(jié)果中大應(yīng)力位置與實際發(fā)生損壞的位置存在一定差異。由于該發(fā)動機支架的三個螺栓孔在上下方向的距離相比常規(guī)支架減小較多，而螺栓規(guī)格沒有相應(yīng)提升，分析結(jié)果顯示螺栓的R8工作應(yīng)力安全系數(shù)過低，結(jié)合實際發(fā)動機支架損壞的形式，在此推測實際使用中是下方的螺栓先發(fā)生松動甚至斷裂，繼而導(dǎo)致支架在上方螺栓孔位置發(fā)生斷裂損壞。

2 結(jié)構(gòu)改進與校核

2.1 結(jié)構(gòu)改進方法

基于對發(fā)動機支架損壞原因的判斷，除了需要改進發(fā)動機支架自身的強度外，支架安裝螺栓的強度同樣需要改進。對發(fā)動機支架的改進方式是增加板的厚度、增大板的尺寸，而對于螺栓的改進可以通過以下兩種方式：①換用更高強度等級的螺栓；②增加螺栓數(shù)量。由于之前計算得到的原結(jié)構(gòu)螺栓R8工作應(yīng)力的安全系數(shù)為0.729，與滿足要求的安全系數(shù)1差異太大，使用方式1改進，安全系數(shù)難有較大的提升，很可能仍然不滿足要求；使用方式2改進，則可以顯著改善螺栓安全系數(shù)，而且還會帶來另一個好處：當增加螺栓數(shù)量時，發(fā)動機支架需要加大，相當于進行了加強。綜上所述，最終確定的結(jié)構(gòu)改進方案為：將發(fā)動機支架安裝螺栓數(shù)量由3個改為4個，對發(fā)動機支架的彎折板和筋板進行加厚，尺寸加大，修改其與發(fā)動機配合位置的形狀以布置4個螺栓安裝孔。改進后的支架三維模型如圖5所示。

2.2 改進結(jié)構(gòu)發(fā)動機支架強度分析與校核

對改進后的發(fā)動機支架重新建模分析，得到的應(yīng)力分析結(jié)果如圖6和圖7所示，相比原結(jié)構(gòu)應(yīng)力明顯改善，支架最大應(yīng)力仍然位于螺栓孔位置，為壓應(yīng)力，不作考慮，其他位置大應(yīng)力比材料屈服強度稍大，由于大應(yīng)力位置存在應(yīng)力奇異，難以獲得準確應(yīng)力值，因此無法準確評價，本文以改進結(jié)構(gòu)的強化試驗結(jié)果作為最終評價標準。

2.3 改進結(jié)構(gòu)安裝螺栓強度計算與校核

再次使用VDI 2230計算下方螺栓的安全系數(shù)，得到R8工作應(yīng)力安全系數(shù)為1.09，滿足要求，R9交變應(yīng)力在載荷循環(huán)次數(shù)取值130萬次時的安全系數(shù)為1.02，相比原結(jié)構(gòu)明顯改善。

改進后的支架搭載到整車中，再次進行強化試驗，沒再出現(xiàn)問題。結(jié)合對比改進前、后所作的分析，以試驗結(jié)果作為驗證，證明使用有限元分析校核發(fā)動機支架強度以及使用VDI 2230標準計算校核螺栓強度是可行的、準確可靠的。

圖5 改進發(fā)動機支架三維模型 圖6 改進發(fā)動機支架應(yīng)力云圖1 圖7 改進發(fā)動機支架應(yīng)力云圖2

3 結(jié)束語

德國標準VDI 2230為螺栓校核提供了可行、可靠的方法，將其與有限元法相結(jié)合，不僅可以校核結(jié)構(gòu)強度，還可以校核螺栓強度，能很好地應(yīng)用于包含螺栓連接的機械結(jié)構(gòu)強度分析。

本文以某叉車發(fā)動機支架為研究對象，解決支架在強化試驗中斷裂損壞的問題。首先使用ANSYS Workbench對原支架結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，結(jié)果表明支架自身強度不足；再使用VDI 2230標準計算安裝螺栓的多種安全系數(shù)，結(jié)果表明下方螺栓的強度也不足，分析結(jié)果與強化試驗結(jié)果吻合。

針對支架與下方安裝螺栓強度都不足的問題，給出合理的結(jié)構(gòu)改進方案，一方面對支架進行加強，一方面增加安裝螺栓數(shù)量。改進后支架自身強度明顯改善，螺栓強度滿足要求。最終改進結(jié)構(gòu)順利通過強化試驗，證明了改進結(jié)構(gòu)的可行性，也驗證了分析結(jié)果的準確性。