某柴油機空調壓縮機支架仿真分析計算

時培偉，張 宇，袁 帥，亓宗磊，劉維娜

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊261061）

0 引言

隨著計算機技術的普及和不斷提高，CAE系統的功能和計算精度都有很大提升，各種基于產品數字建模的CAE系統應運而生，并已成為結構分析和結構優化的重要工具[1]。

在整車空調系統中，壓縮機作為其心臟部件，所產生的振動與噪聲問題日益受到重視；文獻[2]對壓縮機振動和噪聲的發生于傳播機理進行了詳細的論述；文獻[3]闡述了如何利用頻譜分析技術識別壓縮機噪聲源的方法；而空調壓縮機支架作為柴油機中的關鍵部件，被用來固定空調壓縮機，并將其固定到發動機上；因此，空調壓縮機支架不僅承受來自發動機振動源所傳遞過來的振動，還承受空調壓縮機本身的振動，并且還支撐空調壓縮機的重量及空調壓縮機皮帶載荷，其設計優劣直接就決定了整個壓縮機的使用性能。

本文利用強大的前處理軟件Hypermesh，對整個模型進行網格劃分，應用ABAQUS進行靜強度、模態、面壓滑移分析，為校驗設計的可行性及其方案的改進提供可靠依據。

1 有限元模型建立

1.1 空調壓縮機建模

空調壓縮機支架外形如圖1所示，材料為QT450，重量2.63 kg，其材料屬性如表1所示。

圖1 空調壓縮機支架

表1 空調壓縮機支架材料屬性表

通過Hypermesh前處理軟件，對有限元模型進行了網格劃分[4]，齒輪室、支架、空調壓縮機、張緊輪均采用二階四面體單元，螺栓采用二階六面體單元，考察件空調壓縮機支架平均網格大小為3 mm，非考察件網格大小為4～5 mm，如圖2所示，整個有限元模型共有519 802個單元，132 651個節點。

圖2 有限元模型

1.2 載荷及邊界條件及載荷定義

邊界條件是為了獲得物理問題（各種微分方程）的唯一解，必須對計算邊界設定各種參數值[5]；邊界條件定義如圖3所示：模態計算時，不施加載荷；靜強度計算時，施加螺栓預緊力（M8：24 000～28 750N，M10：34 000～39 000 N）、六向15 g靜力沖擊載荷，張緊輪與空調壓縮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，空調壓縮機支架與齒輪室、輔助支架、螺栓帽等連接面采用摩擦接觸面定義，張緊輪與空調壓縮機皮帶輪采用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 有限元計算機結果分析

2.1 模態分析

對空調壓縮機支架系統模態進行計算，模態計算結果如表2所示：

表2 空調壓縮機支架系統的前前四階約束模態頻率

空調壓縮機支架模態一階頻率數值為122.5 Hz，如圖 5～8所示，低于柴油機額定轉速（3 200 rpm）下點火激勵頻率的1.2倍，即128 Hz，模態不滿足要求。但鑒于柴油機常用轉速區間1 600～2 400 rpm，對應激勵頻率為53.3～80 Hz，支架共振風險較小，因此建議在實際使用中驗證。

圖5 一階約束模態振型圖（122.55Hz）

圖6 二階約束模態振型圖（242.05Hz）

圖7 三階約束模態振型圖（284.79Hz）

圖8 四階約束模態振型圖（365.73Hz）

2.2 靜強度分析

靜強度分析計算，施加最大螺栓預緊力，對空調壓縮機支架、齒輪室進行應力計算，計算結果如表3、4所示。

表3 空調壓縮機支架在各向沖擊下的最大Mises應力值

表4 齒輪室在各個方向沖擊下最大主應力計算結果

空調壓縮機支架在各向沖擊工況下產生的最大應力值為95.03 MPa，低于所應用材料QT450的屈服極限310 MPa，靜強度滿足設計要求，如圖9所示。齒輪室在各向沖擊工況下產生的最大主應力為114.46 MPa，低于材料HT250的抗拉強度極限250 MPa，強度滿足設計要求，如圖10所示。

圖9 mise應力分布云圖

圖10 主應力分布云圖

2.3 面壓及滑移量分析

空調壓縮機支架與齒輪室之間通過螺栓連接，施加最小螺栓預緊力，對各接觸面進行面壓、滑移量計算，在各向沖擊下支架接觸面面壓分布云圖如圖11、12所示。

圖11 面壓分布云圖

圖12 接觸面滑移量云圖

空調壓縮機支架與齒輪室接觸面，面壓連續無間斷，面壓滿足設計要求，如圖9所示。螺栓擰緊力矩作用下，齒輪室與支架接觸面滑移量最大值為0.007 967 mm，最大滑移量小于滑移量限值0.01 mm，滑移量滿足設計要求，如圖10所示。

3 結論

（1）應用Hypermesh聯合Abaqus，對空調壓縮機支架進行模態、靜強度、面壓及滑移量校核計算，有限元計算結果表明：通過模態分析，空調壓縮機支架空調壓縮機支架在15 g靜載荷工況下，靜強度滿足強度要求，面壓連續且滑移量小，常用轉速下不會發生共振。

（2）空調壓縮機支架最大應力出現點在齒輪室螺栓孔與壓縮機連接塊端部過渡處，不同沖擊載荷下，最大值出現的具體位置也不盡相同。

依據上述結論，就可以根據現實需要，進一步研究空調壓縮機支架在實際運動過程中的受力、變形、疲勞損傷等內在機理，為支架的最大應力值、應力集中等這些點布置傳感器提供了必要的幫助和依據。

參考文獻：

[1]姚 偉.淺談CAE技術現狀及發展趨勢[J].科技創新導報，2011（27）：67.

[2]吳文秀，光電式油管長度智能計量儀[J].機電工程，2001，18（2）：14-15.

[3]吳文秀，劉 立，李文興.油管長度智能計量儀的研究與試驗[J].室友機械，2000，28（5）：41.

[4]王鈺棟，金 磊，洪清泉.HyperMesh＆HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012：50-66.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006：37.