基于ANSYS的車輛液力緩速器葉片強(qiáng)度分析及模態(tài)分析*

過學(xué)迅 梁榮亮 陳 見

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1) 武漢 430070) (中國(guó)汽車技術(shù)研究中心2) 天津 300162)

隨著車輛日益向高速重載的方向發(fā)展,液力緩速器作為一種安全可靠的高速輔助制動(dòng)裝置而被廣泛的普及應(yīng)用[1-3],液力緩速器結(jié)構(gòu)如圖1所示.當(dāng)液力緩速器高速制動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子(泵輪)葉片隨傳動(dòng)主軸高速旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)工作腔內(nèi)的工作油液對(duì)固定于箱體的定子(渦輪)葉片產(chǎn)生很大的表面沖擊,如果工作輪載荷超出所選用材料的強(qiáng)度極限,液力緩速器高速制動(dòng)時(shí)容易導(dǎo)致葉片斷裂,存在安全隱患,所以對(duì)葉片進(jìn)行強(qiáng)度分析是液力緩速器選材制造的前提[4];同時(shí),油液在工作腔流道中的流動(dòng)是粘性、不可壓縮的三維不穩(wěn)定的復(fù)雜流動(dòng)[5],流動(dòng)規(guī)律難以準(zhǔn)確測(cè)量,工作狀態(tài)下,不僅其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換和工作油的流動(dòng)狀態(tài)極其復(fù)雜,而且還承受來自于路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的高頻振動(dòng),所以有必要對(duì)液力緩速器進(jìn)行模態(tài)分析,求得各階振型的固有頻率,使液力緩速器工作時(shí)避免共振.

1 ANSYS有限元模型的建立

圖1 液力緩速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

利用流體計(jì)算仿真軟件Fluent獲得液力緩速器在最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min工況下的轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片壓力面受到的工作液液體總壓的分布情況[6],并將葉片表面各個(gè)離散點(diǎn)的液體總壓導(dǎo)出到EXCEL中,得到葉片表面液體總壓的分布規(guī)律.

轉(zhuǎn)子葉片壓力面受到的最大液壓為17.6 MPa,最小液壓為-5.12 MPa,而定子葉片壓力面受到的最大液壓為 11.2 MPa,最小液壓為-4.95 MPa,故只需對(duì)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行有限元分析即可.在有限元分析計(jì)算過程中,為了保證較高的計(jì)算精度,通常需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的局部細(xì)化,但會(huì)占用過多的計(jì)算空間,使得計(jì)算速度大大降低.由于液力緩速器所有葉片沿中心軸線呈現(xiàn)圓周陣列分布,為了在有限的計(jì)算資源的前提下獲得較高的計(jì)算精度,同時(shí)為了更加清晰精確的顯示葉片的應(yīng)力及應(yīng)變,可以提取液力緩速器的一個(gè)單獨(dú)葉片進(jìn)行分析并借助于UG與ANSYS的數(shù)據(jù)接口,將葉片模型導(dǎo)入ANSYS生成有限元模型.但是在進(jìn)行上述操作之前有必要對(duì)模型做局部的簡(jiǎn)化修正,防止因局部造型的復(fù)雜而導(dǎo)致網(wǎng)格劃分的失敗.

2 有限元模型的強(qiáng)度分析

葉片有限元模型幾何外形復(fù)雜,并且葉片的內(nèi)表面是工作液液體總壓的主要承載面,為得到高精度的計(jì)算結(jié)果,采用solid95實(shí)體單元重點(diǎn)對(duì)葉片承載面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化,共生成44 139個(gè)節(jié)點(diǎn)和26 421個(gè)單元.在所建立有限元模型的基礎(chǔ)上,忽略粘性剪切力對(duì)葉片強(qiáng)度的影響,在有限元模型的周期切割面上施加周期對(duì)稱約束,并在輪轂處施加全方位的零位移約束.由液力緩速器的工作原理可知,液壓油在封閉的工作腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),在很高的離心力作用下對(duì)葉片的工作面產(chǎn)生壓力載荷.離心力的計(jì)算公式如下.

式中:ρ為工作液液體密度;v為填充到工作腔內(nèi)的液體體積;R為工作輪的旋轉(zhuǎn)半徑;ω為工作輪的旋轉(zhuǎn)角速度.

所以在某一恒定穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下工作液的密度和體積不會(huì)變化,可以近似認(rèn)為離心力與旋轉(zhuǎn)半徑成線性關(guān)系.所以,液體總壓在各個(gè)葉片壓力面上的分布規(guī)律為沿旋轉(zhuǎn)半徑的遞增而線性遞增.根據(jù)空間解析幾何理論,有限元模型沿徑向方向的遞增斜率為0.45MPa.有限元模型位移約束及載荷約束如圖2所示.該液力緩速器選用ZL104鋁合金材料,彈性模量為80GPa,泊松比為0.33,密度為2 800 kg/m3.

在ANSYS通用后處理中,獲得有限元模型的結(jié)構(gòu)變形情況和等效應(yīng)力分布情況,如圖3、圖4所示.最大變形量為0.365 501 mm,發(fā)生在葉片中心偏向外環(huán)處,最大等效應(yīng)力為378MPa,出現(xiàn)在靠近流道外環(huán)的葉片根部.為便于詳細(xì)觀察轉(zhuǎn)子葉片表面沿旋轉(zhuǎn)半徑方向的變形量及等效應(yīng)力的變化,在葉片工作面外端選取一軌跡線如圖5所示,軌跡線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形量及等效應(yīng)力變化如圖6、圖7所示,沿軌跡線方向上的葉片最大變形量為靠近葉片外環(huán)處,最大等效應(yīng)力沿軌跡線方向逐漸遞增,最高等效應(yīng)力部位位于葉片和外環(huán)殼體的根部,有限元模型強(qiáng)度分析結(jié)果與真實(shí)情況基本吻合.

圖2 施加在有限元模型上的約束

圖3 有限元模型的結(jié)構(gòu)變形

圖4 有限元模型的等效應(yīng)力分布

圖5 轉(zhuǎn)子葉片上選取的軌跡線

圖6 軌跡線節(jié)點(diǎn)上的變形量

圖7 軌跡線節(jié)點(diǎn)上的等效應(yīng)力

3 有限元模型的模態(tài)分析

對(duì)有限元模型按照強(qiáng)度分析的過程和步驟進(jìn)行單元材料屬性的設(shè)置、網(wǎng)格的劃分、位移約束的施加,在0～100 H z的頻率范圍內(nèi)對(duì)有限元模型進(jìn)行6階模態(tài)分析.

1階振型為外環(huán)及葉片沿緩速器基準(zhǔn)軸方向前后俯仰振動(dòng),振動(dòng)固有頻率為1.536 H z,最大變形量為0.957×10-4m,如圖8所示;2階振型為外環(huán)及葉片沿葉片向兩側(cè)擺動(dòng),振動(dòng)固有頻率為3.289 H z,最大變形量為0.319×10-3m;3階振型為外環(huán)及葉片沿外環(huán)腰鼓內(nèi)外擺振,振動(dòng)固有頻率為5.039 H z,最大變形量為0.213×10-3m;4階振型為外環(huán)及葉片沿葉片內(nèi)外兩側(cè)擺振,振動(dòng)固有頻率為5.592 Hz,最大變形量為0.284×10-3m;5階振型同三階振型相似沿外環(huán)腰鼓內(nèi)外擺振,振動(dòng)固有頻率為6.593 Hz,最大變形量為0.366×10-3m;6階振型沿葉片上下擺振,振動(dòng)固有頻率為8.434 Hz,最大變形量為0.334×10-3m,如圖9所示.液力緩速器作為高速制動(dòng)輔助裝置,其工作轉(zhuǎn)速范圍為600～3 000 r/min,對(duì)應(yīng)的固有振動(dòng)頻率范圍為10～50Hz,高于模態(tài)分析各階振型的固有頻率,從而在工作狀態(tài)下能夠避免共振的發(fā)生.

圖8 有限元模型1階振型矢量位移

圖9 有限元模型6階振型矢量位移

4 結(jié) 論

1)該液力緩速器選用ZL104鋁合金材料的強(qiáng)度極限為490MPa,屈服極限為350 MPa,由有限元模型的強(qiáng)度分析可知,轉(zhuǎn)子葉片在外環(huán)根部的等效應(yīng)力已經(jīng)超過該選用材料的屈服極限,所以在該部位最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,存在安全隱患,長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作有可能導(dǎo)致葉片根部發(fā)生斷裂,應(yīng)當(dāng)采用強(qiáng)度更高的鑄鋼材料.根據(jù)GB/T14408-1993,推薦采用ZGD410-620鑄鋼(彈性模量為175GPa,泊松比為0.30,密度為7 850 kg/m3,強(qiáng)度極限為620MPa,屈服極限為410 MPa,強(qiáng)度安全系數(shù)n b=4.0),可得鑄鋼壓力容器承壓部件的強(qiáng)度許用應(yīng)力為155 MPa,遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子葉片壓力面受到的最大液壓(17.6 MPa),保證緩速器在最高轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定可靠的力學(xué)性能.

2)對(duì)有限元模型施加載荷時(shí),近似模擬葉片上的液壓載荷為沿旋轉(zhuǎn)半徑方向的線性分布,而真實(shí)情況下,考慮到油液的粘性、油液與壁面的邊界層的處理、工作腔內(nèi)空氣氣流的影響以及油液在葉片非壓力面形成的背壓等因素的影響[6],液體總壓在葉片壓力面上的分布是無規(guī)律可循的,所以有限元模型的仿真載荷與真實(shí)情況還存在一定的誤差,需要更加精確的載荷定位.

3)在進(jìn)行液力緩速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),建議在工作葉輪與外環(huán)殼體交接處采用圓角過渡,提高葉片根部的抗疲勞強(qiáng)度,衰減應(yīng)力集中.

[1]時(shí) 軍,過學(xué)迅.車用液力減速制動(dòng)器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].車輛與傳動(dòng)技術(shù),2001(4):1-3.

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[6]李吉元.牽引-制動(dòng)型液力變矩器流場(chǎng)分析及一體化設(shè)計(jì)研究[D].北京:北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院,2005.