柴油機齒輪室結(jié)構(gòu)強度與疲勞特性虛擬預(yù)測研究

杜憲峰，張磊，李志勇，嚴偉

（1.遼寧工業(yè)大學省汽車振動與噪聲工程技術(shù)研究中心，遼寧 錦州 121001；2.東風朝陽朝柴動力有限公司，遼寧 朝陽 122000）

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柴油機齒輪室結(jié)構(gòu)強度與疲勞特性虛擬預(yù)測研究

杜憲峰1,2，張磊1，李志勇2，嚴偉2

（1.遼寧工業(yè)大學省汽車振動與噪聲工程技術(shù)研究中心，遼寧 錦州 121001；2.東風朝陽朝柴動力有限公司，遼寧 朝陽 122000）

摘 要：應(yīng)力分布與疲勞特性研究是評價柴油機齒輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的關(guān)鍵因素，CAE技術(shù)已經(jīng)成為解決該問題的重要手段。采用軟件CATIA建立齒輪室裝配體三維模型，并對齒輪室模型進行HyperMesh前處理；采用軟件Abaqus對齒輪室進行有限元分析，分析獲得齒輪室的模態(tài)結(jié)果與應(yīng)力分布；采用疲勞軟件Femfat進行結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算，驗證齒輪室結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠性。研究結(jié)果表明，基于CAE技術(shù)的應(yīng)力分布及疲勞特性研究能夠快速有效的實現(xiàn)齒輪室設(shè)計合理性分析，對于其結(jié)構(gòu)可靠性控制與未來開發(fā)具有一定的應(yīng)用指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力分布；疲勞特性；CAE技術(shù)；齒輪室

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.007

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-20-03

前言

應(yīng)力分布與疲勞特性研究是評價柴油機齒輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的關(guān)鍵因素，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為解決復(fù)雜工程問題的有效手段[1,2]。由于柴油機齒輪室結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，這就要求充分考慮齒輪室結(jié)構(gòu)組成部分復(fù)雜的接觸問題[3]，以及齒輪室結(jié)構(gòu)有限元模型建立與相關(guān)計算求解等問題。

本文建立了基于“計算模型（HyperMesh）－有限元分析（Abaqus）－疲勞特性分析（Femfat）”的柴油機齒輪室結(jié)構(gòu)虛擬仿真分析平臺，計算了齒輪室結(jié)構(gòu)部件的模態(tài)特性與應(yīng)力分布，分析了最大受力工況下齒輪室結(jié)構(gòu)的疲勞特性，并分析驗證齒輪室結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠性，為實現(xiàn)齒輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計及未來開發(fā)提供快速有效的技術(shù)手段。

1、齒輪室計算模型建立

本設(shè)計所研究的齒輪室采用三維立體建模，其分析模型包括齒輪室、齒輪室蓋、缸體、齒輪箱體、齒輪箱蓋、虛擬發(fā)電機、發(fā)電機支架、發(fā)電機支板、虛擬噴油泵、噴油泵齒輪、油泵齒輪、噴油泵傳動軸、滾動軸承，齒輪室蓋用螺栓緊固，保證其結(jié)合面在任何轉(zhuǎn)速下都能緊密結(jié)合，以方便實現(xiàn)齒輪室模型各節(jié)點慣性力和表面載荷的施加。油機齒輪室結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。圖中所示，分析模型的X軸方向為發(fā)動機的橫向，Y軸正向為為鉛垂向上的方向，Z軸正向為從發(fā)動機前端指向飛輪的方向。

圖1 柴油機齒輪室結(jié)構(gòu)組成

在強度分析中，齒輪室與缸體、齒輪室和齒輪室蓋、齒輪室和發(fā)電機支架、齒輪室和齒輪箱體、連接螺栓頭部與連接件接觸處采用面-面接觸，摩擦系數(shù)為0.15；連接螺栓與連接件的其余接觸處、噴油泵和油泵過渡接盤、油泵過渡接盤和齒輪箱蓋、齒輪箱蓋和齒輪箱體、噴油泵軸和油泵齒輪(2)、噴油泵傳動軸和滾動軸承、噴油泵傳動軸和油泵齒輪(1)、滾動軸承和齒輪箱體的接觸處采用tie約束。在模態(tài)分析中，全部接觸都轉(zhuǎn)化為tie約束。約束邊界條件如圖2所示。

圖2 齒輪室模型約束邊界條件

齒輪室載荷系統(tǒng)一般比較復(fù)雜，特別是某些載荷沿邊界的分布規(guī)律難以用理論或測量的方法來確定，而往往是采用一些假定的分布規(guī)律來模擬，如何正確的模擬這些載荷的分布規(guī)律，是有限元法計算中不容忽視的問題。本設(shè)計著重考慮齒輪室整體模型的模態(tài)分析，以及最大螺栓載荷條件下的加速度載荷對齒輪室的應(yīng)力計算結(jié)果。

2、齒輪室結(jié)構(gòu)強度計算與疲勞特性分析

齒輪室是柴油機主要的薄壁件結(jié)構(gòu)，齒輪室計算模型精度會直接影響到后期齒輪室結(jié)構(gòu)強度與疲勞特性分析。為了準確反映齒輪室結(jié)構(gòu)，以及控制計算規(guī)模，則要求合理保留齒輪室的主要結(jié)構(gòu)，尤其是螺栓、倒圓等結(jié)構(gòu)。同時，選擇模擬性很好的二階次四面體單元，使得齒輪室結(jié)構(gòu)盡可能實現(xiàn)單元的均勻分布。齒輪室整體模型的模態(tài)計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 齒輪室結(jié)構(gòu)1階模態(tài)計算分析

圖4 齒輪室結(jié)構(gòu)2階模態(tài)計算分析

在模態(tài)計算分析基礎(chǔ)上，對齒輪室施加螺栓預(yù)緊力，主要包括：齒輪室、齒輪室蓋與缸體的連接螺栓，預(yù)緊力為22590（N）；齒輪室與發(fā)電機支架的連接螺栓，預(yù)緊力為18730 （N）；齒輪室與發(fā)電機支架的連接螺栓，預(yù)緊力為18460 （N）；發(fā)電機與發(fā)電機支板的連接螺栓，預(yù)緊力為17740 （N）。同時，對齒輪室結(jié)構(gòu)可施加6個方向的15G加速度載荷，主要包括：縱向正負方向加速度的150000mm/s2加速度載荷；水平正負方向加速度的150000mm/s2加速度載荷；鉛垂正負方向加速度的150000mm/s2加速度載荷。計算獲得最大螺栓載荷下的最大主應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析結(jié)果可知，最大螺栓載荷下的最大主應(yīng)力結(jié)果為117MPa，小于材料預(yù)緊力的屈服極限750MPa，所以符合要求。

圖5 最大螺栓載荷下的最大主應(yīng)力結(jié)果

齒輪室結(jié)構(gòu)疲勞特性已經(jīng)成為評價其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的重要依據(jù)，本研究針對齒輪室組成結(jié)構(gòu)進行疲勞計算及評價。由于疲勞分析是基于有限元計算結(jié)果開展的，所以不用再考慮應(yīng)力集中影響。將6個方向15g加速度載荷計算步的結(jié)果作為動載荷在femfat軟件中進行瞬態(tài)計算，其在最大螺栓載荷條件下高周疲勞的安全系數(shù)云圖如圖6所示。

圖6 齒輪室結(jié)構(gòu)疲勞計算分析

由圖6分析結(jié)果可知，齒輪室結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值為1.23，滿足最小安全系數(shù)≥1.1，位于齒輪室的上部處。由于高周疲勞需要的理論安全系數(shù)應(yīng)該大于1.0，考慮到載荷分布和網(wǎng)格質(zhì)量的誤差各5%，所以實際要求安全系數(shù)要達到1.1。因此，此齒輪室結(jié)構(gòu)符合設(shè)計要求。

3、結(jié)論

（1）本研究充分考慮了齒輪室組成結(jié)構(gòu)接觸因素，建立三維模型及有限元計算模型，并通過齒輪室結(jié)構(gòu)的有限元分析獲得了模態(tài)計算結(jié)果與應(yīng)力分布。

（2）本研究充分考慮了最大受力工況條件下的齒輪室結(jié)構(gòu)安全因子，并通過疲勞軟件進行結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算，有效評價了齒輪室組成結(jié)構(gòu)的疲勞特性及相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠性。

（3）研究結(jié)果表明，基于CAE技術(shù)的應(yīng)力分布及疲勞特性研究能夠快速有效的實現(xiàn)齒輪室設(shè)計合理性分析，對于類似結(jié)構(gòu)的可靠性控制與未來開發(fā)具有一定的應(yīng)用指導(dǎo)價值。

參考文獻

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[2] Bruchmans M, Leuridan J, Langenhove T V. Validation of automotive component FE models by means of test analysis correlation and model updating techniques. SAE Noise and Vibration Conference and Exposition, 1999.

[3] (德)瑪斯,高宗英譯,內(nèi)燃機設(shè)計總論,北京:機械工業(yè)出版社,1986.

Virtual Prediction of Structural Strength and Fatigue Characteristics of Engine Gear Chamber

Du Xianfeng1, 2, Zhang Lei1, Li Zhiyong2, Yan Wei2
( 1. Automobile Vibration and Noise Engineering Technology Research Center of Liaoning Province, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001; 2. Dongfeng Chaoyang Diesel Co., Ltd, Liaoning Chaoyang 122000 )

Abstract:The study of stress distribution and fatigue characteristics is a key factor in evaluation of the design rationality of diesel engine gear chamber, and CAE technology has become the important means to solve this problem. A three dimensional model of gear chamber assembly was constructed with the software CATIA, and the gear chamber will be processed by Hypermesh; The Abaqus software is applied to make FEM of gear chamber, and modal analysis result and stress distribution of gear chamber are obtained; With fatigue software Femfat calculating safety coefficient of the gear chamber structure, to verify the it's design reliability. The results showed that the analysis of the gear chamber design rationality can be quickly and efficiently accomplished by the study of stress distribution and fatigue characteristics based on CAE technology, and it has a certain application value for the gear chamber structural reliability control and future development.

Keywords:stress distribution; fatigue characteristics; CAE technologies; gear chamber

基金項目：遼寧省博士啟動基金項目（20141200），遼寧省教育廳項目（L2015228）。

作者簡介：杜憲峰，博士，副教授，就職于遼寧工業(yè)大學省汽車振動與噪聲工程技術(shù)研究中心研究方向：柴油機振動噪聲控制研究。

中圖分類號：U464.9

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-20-03