某船用柴油機發電機支架系統仿真計算分析

高迎賓，張 宇，張 超，王攀峰

（濰柴動力股份有限公司 國際業務協同部，山東濰坊 261061）

0 前言

船舶零部件由于設計不合理，可靠性不過關造成的產品質量問題普遍存在。在船舶發動機發電系統中，發電機支架作為核心部件發電機的重要支撐，其可靠性和疲勞耐久性直接關系到整個發動機系統能否正常運行。通常人們通過試驗方法和模擬計算分析的方法來確定零部件的可靠性和疲勞強度。一般的零部件試驗周期比較長，費用貴，消耗的人力物力大，不能滿足零部件試驗高效率的要求。隨著計算機技術水平的不斷提高和計算速度的不斷加快，各種功能更加強大和計算精度更高的仿真軟件也在不斷的更新，CAE軟件作為在科研和實際研發生產中重要的結構仿真分析工具有著廣泛的應用，其計算精度和工作效率也有了很大提高，CAE軟件已經廣泛應用到了科研和實際產品設計當中。東北林業大學的孔慶華等通過CAE軟件對發動機支架的強度進行了分析研究，為進一步改進發動機支架的結構設計提供了必要的理論依據[1]；江淮汽車集團股份有限公司的張波基于ABAQUS軟件對發動機懸置支架進行了模態以及強度疲勞分析，預測了支架的NVH性能和強度性能[2]。山東華宇工學院的張坤等通過Ansys軟件對自卸車發動機支架進行了有限元結構分析，得出了支架在實際工況中的最大應力和變形分布，驗證了該支架的可靠性[3]。發動機支架主要對發動機起了支撐固定的作用，而發電機支架是對整個發電機系統進行支撐固定，它們的結構及應力分布都有著很大不同，本文通過CAE軟件對新設計發電機支架進行模態、強度、疲勞等多個方面進行了更加全面的分析，為發電機支架以及相似發動機零部件的結構設計提供了可靠依據。

本文利用強大的前處理軟件Hypermesh，對發電機、發電機支架整個系統模型進行網格劃分，導入結構仿真分析軟件ABAQUS進行模態、強度和面壓滑移計算分析，并利用FEMFAT進行了疲勞分析，為校驗設計的可行性以及為設計方案的改進提供了可靠依據。

1 有限元模型

1.1 發電機系統建模

船舶發動機及發電機支架模型如圖1所示，發電機支架重量為5.95 kg，材料為Q235A，支架材料屬性如表1所示。

圖1 支架模型

表1 發電機支架材料屬性表

通過Hypermesh網格劃分前處理軟件，對發電機支架系統模型進行了網格劃分，齒輪室、支架、發電機、張緊輪均采用二階四面體單元，螺栓采用二階五面體單元。分析件發電機支架平均網格大小為3 mm，其他部件平均網格大小為4~7 mm.如圖2所示，整個有限元模型共有707 269個網格，182 382個節點。

圖2 有限元模型

1.2 載荷、邊界條件及載荷定義

載荷及邊界條件定義如圖3所示。模態計算時，不施加載荷；強度計算時，螺栓施加預緊力（螺栓公稱直徑8 mm，強度級10.9級，預緊力大小18 750 N），六個方向分別施加15倍的重力加速度沖擊載荷，張緊輪與發電機皮帶輪施加皮帶力。模型接觸定義如圖4所示。模態計算時，各接觸面均采用Tie連接；應力應變計算時，發電機支架與齒輪室接觸面采用摩擦接觸定義，張緊輪與發電機皮帶輪采用coupling約束，其余接觸面采用Tie連接。

圖3 邊界條件定義

圖4 接觸定義

2 有限元計算結果分析

2.1 模態分析

對發電機支架系統進行模態計算，模態計算結果如表2所示。

表2 發電機支架系統前四階約束模態

發電機支架系統一階模態為161.7 Hz，振型如圖5所示，一階模態高于柴油機最高空車轉速（最高空車轉速為2 310 r/min，柴油機為六缸機）下點火激勵頻率的1.2倍，即138.6 Hz，避開了共振風險。從模態計算結果來看，發電機支架滿足設計要求。

圖5 一階振型

2.2 強度分析

對螺栓施加預緊力，張緊輪和發電機皮帶輪施加皮帶力，六個方向分別施加15倍的重力加速度載荷后，發電機支架的應力計算結果如表3所示。

表3 發電機支架在各向沖擊下的最大Mises應力值

發電機支架在各向載荷沖擊下產生的最大應力值為61.6 MPa，低于材料屈服強度極限235 MPa，靜強度滿足發電機支架的設計要求，如圖6所示。

圖6 Mise應力分布云圖

2.3 面壓、滑移量及疲勞分析

發電機支架與齒輪室之間通過螺栓連接，螺栓施加預緊力，對各接觸面進行面壓、滑移量計算。在各向載荷沖擊下支架與齒輪室接觸面間面壓連續無間斷，面壓滿足設計要求。面壓分布云圖如圖7所示；螺栓在預緊力作用下，支架與齒輪室接觸面滑移量最大值為0.008 mm，小于滑移量限值0.01 mm，滑移量滿足設計要求，如圖8所示。

圖7 面壓分布云圖

圖8 滑移量分布云圖

如圖9所示，發電機支架高周疲勞安全系數最小值為1.539，高于限值1.1，高周疲勞滿足設計要求。

圖9 高周疲勞安全系數分布云圖

3 結論

（1）應用Abaqus軟件對發電機支架進行有限元計算，結果表明：在發動機常用轉速工況下，發電機支架系統不會發生共振，發電機支架在15倍的重力加速度沖擊載荷工況下，發電機支架強度滿足設計要求，發電機支架與齒輪室接觸面間，面壓連續且滑移量小。

（2）發電機支架最大應力點出現在支架側肋與支架底座的接觸處，不同方向沖擊載荷下，最大值出現的具體位置也不相同。發電機支架高周疲勞安全系數的最小值滿足限值要求，滿足設計要求。