動力總成系統結構強度有限元仿真優化及應用

王慧玲

?

動力總成系統結構強度有限元仿真優化及應用

王慧玲

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

動力總成實體結構件優化是設計開發評估中的難點問題。借助計算機輔助工具，結合某動力總成開發項目，詳細研究本體零件結構疲勞產生的影響因素，模擬真實系統開發認證工況及受載狀態，并對疲勞危險區域進行結構優化。模型考慮了系統結構近似瞬態溫度場、變缸壓、螺栓衰減等影響因素，并運用子模型驅動方法，通過Tosca實現ABAQUS和疲勞軟件聯合仿真，進行快速局部形狀優化，大大提高了項目開發評估效率。該方法推廣運用到其他零件上，成功通過優化結構形狀，解決某變速箱齒轂開裂失效問題，試驗驗證效果良好。

低周疲勞；計算機輔助；仿真；子模型；Tosca；優化

1 前言

動力總成中發動機作為核心動力系統，其性能、安全、可靠度要通過臺架冷熱沖擊（GETC）認證。零件強度不僅與本身結構有關，也與系統的工況、連接、支撐等因素緊密相關。考察零件強度及優化必須要著眼于實際狀態，難點在于一方面發動機使用狀態變化復雜，內部流體及氣體燃燒實際狀態難以捕捉模擬，另一方面模型龐大，影響因素眾多。

實際臺架運行過程為引擎在高速和全油門的工況下連續運行數百小時，它是一個基本由加速工況構成的試驗，并不是為了完全復制實際的客戶車輛使用情況，旨在模擬產生在整車有效使用生命周期中的近似損傷狀況[1,3,4]。最大的熱沖擊發生在引擎從熄火或浸車至環境溫度（例如通宵駐車后）升溫到正常全油門全負荷運行的加熱過程中，最大冷沖擊發生在熄火倒拖、冰水冷卻、節氣門全開的過程中，同時，冷卻液、機油和排氣道也都經受了相當程度的冷熱沖擊，結構強度疲勞可近似為低周疲勞問題，計算機模擬復雜程度較大，目前國內尚未見到相關資料文獻。

發動機水套圓角為設計薄弱位置，容易引起應力集中，是設計關注的重點。本文通過對GETC瞬態過程模擬，得到整機一體化結構應變結果，運用 coffin-manson低周疲勞理論模型，評估結構機械損傷及安全情況。對于局部安全系數較低區域，運用子模型驅動方法快速計算局部應變場，再通過Tosca聯合ABAQUS[2]及疲勞計算軟件，快速優化結構局部圓角壽命，改善結構設計，此方法也在動力總成其他零件中得到運用，改善設計解決問題，效果良好。

2 低周疲勞理論及結構優化方法

2.1 低周疲勞理論

在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部永久結構變化的發展過程稱為疲勞。對于低周疲勞，循環次數小于10000次，循環應力大于屈服。目前，基于應變-壽命(ε-N)關系來計算低周疲勞的方法目前已被廣泛接受，其性能獲取來源于應變幅控制下的疲勞測試試驗。壽命-應變關系式通常表示為Coffin-Manson 方程，表達式如下：

對應的循環應力應變關系方程如下，在有限元計算材料參數中輸入，通常稱為Romberg-Osgood方程[9]：

2.2 結構優化方法

結構優化從類型上看，主要有尺寸優化、形狀優化[5~6]及形貌優化[7]、拓撲優化[8]，優化數學模型如下：

3 有限元模型與分析方法

本文建立了缸體缸蓋一體化模型，定載荷主要有過盈配合量，變載荷主要包括螺栓力、缸壓、溫度，計算得到應變幅用于疲勞計算。結構計算的模型有限元模型如圖1所示，包括缸蓋、缸體、螺栓、座圈、缸墊、缸套、軸瓦瓦蓋等。

材料參數參考FEMFAT材料庫，如表1所示，主要的材料有缸蓋AC4B、缸體Alsi9cu3，泊松比0.32，彈性模量77312MPa。彈塑性模型輸入，硬化選用combined 類型，背應力介于等方和隨動硬化之間。為獲取更加可靠的計算結果，至少計算3個循環以確保獲取塑性安定結果。

圖1 缸體缸蓋一體化計算模型

表1 常溫材料參數

低周疲勞是在Femfat heat 模塊輸入計算，有限元結果信息包括應力、應變、溫度場時間歷程，即S、LE、NT，結果將輸入到疲勞軟件中計算壽命，具體流程見下圖2：

圖2 低周疲勞計算流程

3.1 溫度載荷

溫度冷熱沖擊是造成零件強度問題的主要因素，根據轉速、扭矩、油溫、水套水溫、流量等輸入信息作為邊界，計算得到瞬態溫度場。在疲勞結構計算中，直接瞬態加載計算時間長，代價太大，獲取若干溫度變化較大的時刻點的溫度，施加多個分析步靜力加載，可近似模擬出溫度變化歷程，計算量減少且效率提高。如圖3所示，本例點取30個時刻點加載，中間過程線性插值，近似的瞬態溫度歷程如帶點的block bore Max. Temperature 曲線所示。缸壓加載轉折點與轉速變化點一致，圖中 所示，加載順序為點火1、2、3缸順序。

圖3 載荷加載邊界

3.2 疲勞計算

疲勞計算基于Femfat Heat模塊，輸入最后一個穩定的循環。由于缺乏材料的氧化及蠕變材料屬性，疲勞結果忽略氧化及蠕變損傷，壽命計算的是結構零件的機械損傷[10]。

圖4 疲勞計算分析步輸入

3.3 子模型驅動及優化

缸體缸蓋結構比較復雜，優化空間的定義約束眾多，優化計算難度較大。但對于局部圓角優化，結構變化不大，可以通過表面節點位置調整實現，即常說的形狀優化。一般整機模型大小接近500M，現有資源下計算周期約1周，若驅動局部小模型，大小在50M以下，耗時可控制在1小時以內，可行性較高。缸體缸蓋的水套圓角是強度薄弱環節，局部常有安全系數不滿足要求，改善圓角強度如果通過更改數模，再通過整機一體化評估的話，時間長、效率低，子模型驅動的方法可以極大地減少ABAQUS計算時間，提高計算效率。

優化結構強度是利用Tosca軟件在子模型上完成的，具體流程如下：

圖5 子模型驅動優化流程

4 結果與分析

4.1 有限元及疲勞分析結果

缸體缸蓋的溫度場是作為后續應力計算的載荷之一，需反復對比和修正其精度，確保邊界輸入準確性。除溫度載荷之外，還考慮了缸壓變化、螺栓力衰減等，溫度場及應力云圖如圖6所示。

圖6 有限元計算結果

低周疲勞結果需在疲勞軟件中，輸入材料E-N特性曲線評估安全系數。缸蓋水套安全壽命如下圖7所示，根據要求，節點1419364點的壽命是6044次，有開裂風險，此處需要進行局部結構優化，降低風險。

圖7 缸蓋節點壽命云圖

4.2 局部圓角安全系數優化

局部優化適合用子模型驅動來提高計算效率，首先局部模型的結果應力要與全局模型基本一致，其次對比壽命結果也要一致，才可用子模型代替全局模型。在方法研究時計算的結果如下圖8所示，關注區域的Mises應力差異在10Mpa以內，對應的疲勞結果也基本一致，某點處冪指數大小由6.866變化到6.76。此方法用于缸體缸蓋低周疲勞優化后，結構圓角有小幅變化，優化后壽命滿足8600循環要求，同時可直接輸出優化后的幾何模型，快速用于設計參考，提高工程運用效率和價值。

圖8 子模型與全局模型壽命冪指數對比

5 問題解決應用案例

根據上述分析方法，針對某變速箱齒轂開裂問題，首先合理分析了系統使用工況，通過計算機有限元仿真再現出倒擋工況是造成零件開裂的主要原因，如下圖9所示，小滑槽開裂位置最大主應力應力a點780.8MPa，大滑槽應力b點為624.9MPa，超過材料強度極限580MPa，造成零件開裂。

圖9 缸蓋節點壽命云圖

為改善大滑槽應力受力狀態，運用子模型驅動辦法，優化圓角結構形狀。優化目標是最大拉應力小于強度極限，優化空間為調整圓角周圍節點位置，如圖10所示，原始紅色輪廓調整到綠色優化輪廓，指導最終結構數模的確定。再通過仿真驗證，大滑槽圓角最大主應力應力降到572MPa，低于強度極限580MPa，滿足強度要求，最終零件通過臺架和整車的試驗驗證。

6 總結

1）運用計算機輔助設計軟件Tosca 實現ABAQUS 和FEMFAT 聯合仿真，從系統角度解決發動機開發中的結構強度優化問題，首次運用子模型驅動的方法，提高系統復雜工況及大模型的計算效率。

2）通過分析系統工況，優化圓角形狀，改善變速箱大滑槽圓角應力狀態，提高強度強度，在臺架和整車中試驗驗證效果良好。

[1] Nicholas T. Critical issues in high cycle fatigue[J].International Jour -nal of Fatigue, 1999, 21(99):S221–S231.

[2] 莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].清華大學出版社, 2009.

[3] 楊林強.錢德猛.路明.基于有限元的缸蓋低周疲勞壽命仿真分析[M].客車技術與研究.2015.

[4] 崔恒.相變塑性鋼的低周疲勞性能和裂紋擴展速率.上海金屬. 2009.1.

[5] Bennett J A. Botkin M E. (Eds). The optimum shape:automated str -uctural design, New York: Plenum press, 1986 15 Topping B H V. J Struct Eng, ASCE 109, 1983:1933-1951.

[6] Ohkubo S, Nakajima T, Asai K. Total optimization of truss consi -dering shape, material & sizing variables. Comput Util Stuct Eng, 1989:247-256.

[7] Imai K, Structural optimization with material selection. In:Founda -tion of Serucfural Optimization;A unified Approach Edited by Mor -ris, A J, John wiley & Sons Ltd, 1982:487-511.

[8] Olhoff N, Bendsφe M P, Rasmussen J. Computer Methods in Appli -ed Mechanics & Engineering 89, 1991:259 - 279.

[9] Matthew L. Roessle and Ali Fatemi .Abolhassan K. Khosrovaneh. Variation in Cyclic Deformation and Strain-Controlled Fatigue Properties Using Different Curve Fitting and Measurement Techni -ques. 1999-01-0364.

[10] Csaba Halászi, Christian Gaier, Helmut Dannbauer, 2012_FATI -GUE LIFE PREDICTION OF THERMO-MECHANICALLY LOADED ENGINE COMPONENTS, MAGNA Powertrain, Engin -eering Center Steyr GmbH & Co. KG Steyrer str. 32,A-4300 St. Valentin, Austria.

Optimization and application with Computer Aided simulation for Engine

Wang Huiling

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 201201 )

The optimization of solid components for engine is one of complex problems in system design and evaluation. Based on an engine development project with computer-aided simulation, some detail factors had been studied focuses on fatigue, the authenticated working condition and loading state of the real system are calculated, and the fatigue risk area is optimized rapidly. Considering the approximate transient temperature field, variable cylinder pressure and bolt pretension force unloading during vibration, after using the sub-model driving method and Co-simulation with ABAQUS and Tosca , and the local shape optimization was carried out, which was greatly improved the efficiency of evaluation. This method was successfully used in transmission gearbox hub cracking issue solving and the optimization component was passed the test validation.

Low cycle fatigue; Computer-Aided; simulation; sub-model; Tosca; optimization

U467

B

1671-7988(2019)07-105-04

王慧玲（1982-），女，碩士，工程師，從事動力驅動系統的結構強度、傳熱仿真分析。

U467

B

1671-7988(2019)07-105-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.035