某柴油機發電機支架仿真分析與結構優化

朱冬月 袁帥 李艷君 郭彬 趙宏陽

摘要：本文基于Hypermesh和ABAQUS對某柴油機的發電機支架進行分析，并對不滿足要求的設計方案進行優化。利用Hypermesh對模型進行前處理，ABAQUS進行模態、強度、滑移計算，計算結果表明，初始設計方案強度不滿足設計要求，對結構進行優化設計后，再次進行仿真驗證，結果顯示優化方案滿足設計要求。通過CAE仿真手段對設計方案進行仿真驗證，保證結構設計的可行性，有效縮短了研發時間。

Abstract： In this paper， the generator support of a diesel engine was analyzed based on Hypermesh and ABAQUS. And then optimized the design scheme that did not meet the requirements. Hypermesh was used to preprocess the model， and ABAQUS was used to calculate the modal， strength and slip. The calculation results showed that the strength of the initial design scheme did not meet the design requirements. After optimizing the structure， the simulation verification was conducted again， and the results showed that the optimized scheme met the design requirements. The application of CAE simulation software ensures the feasibility of structural design and effectively reduces the time of research and development.

關鍵詞：ABAQUS;模態;強度;柴油機

Key words： ABAQUS;modal;strength;diesel engine

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0003-04

0? 引言

發電機作為發動機的核心部件之一，其主要功能是在發動機正常工作時向除起動機外的所有用電設備供電，同時向蓄電池充電，而發電機支架作為發電機的重要支撐，在發動機工作過程中，要同時承受來自發動機振動源和發電機本身的振動，且支撐著發電機的重量和發電機皮帶載荷，其模態、強度等性能決定了整個發電機的使用性能。

驗證零部件的可靠性通常采用實驗方法，但零部件的實驗周期長、成本高，已無法滿足人們對零部件研發設計的效率要求。隨著計算機技術的不斷發展，CAE仿真技術在實際工程中的應用越來越廣泛，其主流軟件有Hypermesh、ABAQUS、ANSYS等[1]。CAE軟件的應用，大大提高了零部件可靠性分析的效率，縮短了研發時間，節約了研發成本。重慶長安新能源汽車科技有限公司的侯磊等，利用CAE仿真軟件對電驅動系統進行仿真分析，進而對關鍵部件進行改進設計，為系統的高性能集成和降本增效提供了理論參考[2];一汽豐田技術開發有限公司的馬天龍通過CAE仿真軟件對制動油管疲勞應力及共振頻率進行簡單仿真，為研討布置設計方案提供參考依據，大幅縮短了設計開發時間[3]。

本文采用CAE仿真技術，首先利用Hypermesh對發電機、發電機支架整個系統模型進行前處理，劃分網格，再利用ABAQUS軟件對系統進行模態、強度、滑移計算分析，根據計算結果對發電機支架的結構可靠性進行評估和優化設計。本文利用CAE軟件進行仿真計算，為發電機支架的結構設計和優化提供了理論依據。

1? 有限元模型

1.1 發電機支架系統有限元模型

發電機支架系統有限元模型如圖1所示，主要由齒輪室、氣缸蓋、發電機支架、發電機、連接螺栓等組成。

發電機支架有限元模型如圖2所示，本文利用Hypermesh軟件對該發電機支架系統模型進行網格劃分，發電機、發電機支架、吊環等均采用四面體單元，連接螺栓采用六面體單元，其中發電機支架等考察件的平均網格大小為4mm，非考察件的平均網格大小為6mm。

1.2 零部件材料參數

發電機支架系統各部件材料參數見表1。

1.3 邊界條件及載荷定義

考慮模態是機械結構系統的固有振動特性，進行模態分析計算時不施加載荷;強度計算時，螺栓施加預緊力，六個方向分別施加15倍的重力加速度沖擊載荷，發電機皮帶輪施加皮帶力;分析滑移時，分別對選用M10、M12、M14螺栓的情況進行分析，連接螺栓具體參數見表2。邊界條件及載荷定義如圖3所示。

計算模態時，各接觸面均采用Tie連接;強度計算時，支架與吊環接觸面采用摩擦接觸定義，發電機皮帶輪采用coupling約束，其余接觸面均采用Tie連接。模型接觸定義如圖4所示。

2? 有限元計算結果分析

2.1 模態分析

利用ABAQUS結構仿真計算軟件對發電機支架系統模型進行模態計算，系統前三階模態計算結果如表3所示。

計算結果顯示，發電機支架系統一階、二階、三階模態分別為157.6 Hz、171.7Hz、452.3Hz，高于發動機額定轉速（3200rpm）下點火激勵頻率的1.2倍，即128Hz。

發電機支架系統一階振型如圖5所示，從模態計算結果來看，該發電機支架結構避開了共振風險，滿足設計要求。

2.2 強度分析

對發電機支架進行強度分析，施加螺栓預緊力、皮帶力和沿坐標軸方向的15g沖擊載荷，得到發電機支架各方向應力最大值見表4，應力分布云圖如圖6所示。

從計算結果可以看出，發電機支架在Front方向沖擊載荷下產生應力最大值237MPa，高于發電機支架材料Q235A的屈服強度235MPa，發電機支架強度不滿足設計要求。

2.3 滑移量分析

發電機支架與吊環之間通過螺栓連接，施加最小螺栓預緊力，針對選用M10、M12、M14三種不同螺栓的情況，分別對各個接觸面進行滑移量的計算分析。

計算結果表明，選用M10、M12、M14螺栓滑移量最大值分別為0.019mm、0.014mm、0.0105mm，均高于限值0.01mm，螺栓連接可靠性存在風險，M14螺栓滑移量云圖如圖7所示。

3? 優化設計與校核

上述計算結果表明，該發電機支架的結構強度和螺栓連接可靠性均不滿足設計要求，對支架進行結構優化并利用Hypermesh對模型進行前處理得到優化后發電機支架有限元模型如圖8所示。

對優化后的發電機支架系統進行模態、強度、滑移計算分析。

優化后的發電機支架前三階固有頻率見表5，一階振型圖如圖9所示。計算結果表明，一階頻率數值為118.8Hz，低于發動機額定轉速（3200rpm）下點火激勵頻率的1.2倍，即128Hz，模態不滿足設計要求，但不在常用轉速（1800-2500rpm）對應的點火激勵頻率的1.2倍區間（72 -100 Hz）內，支架共振風險較小，建議在實際使用中驗證。

優化后的發電機支架強度分析結果見表6，對比原有結構方案，優化后的發電機支架在Right方向沖擊載荷下產生應力最大值168MPa，低于發電機支架材料Q235A的屈服強度235MPa，應力云圖如圖10所示，支架強度滿足設計要求。

滑移量計算結果表明，優化后支架與墊塊接觸面用M14螺栓滑移量最大值為0.0076mm，低于限值0.01mm，螺栓連接可靠性安全。滑移量分布云圖如圖11所示。

4? 結論

本文利用Hypermesh和ABAQUS兩種CAE仿真軟件對發電機支架系統模態、強度、滑移量進行分析，及時發現了原始設計方案的支架在強度和螺栓連接可靠性方面均不滿足設計要求。在對支架結構進行優化后再次對模型進行仿真分析，證明了優化后方案在強度和螺栓連接可靠性方面得到改善，滿足了設計要求。應用有限元法對結構的可靠性進行分析，可以在設計階段及時發現問題，縮短研發周期，節約開發成本。

參考文獻：

[1]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，2006：6.

[2]侯磊，范旭紅，杜長虹，陸焦，邱單丹，劉太剛，肖賀平.多合一電驅動系統的結構原理及CAE仿真分析[J].微特電機，2019，47（10）：1-5，10.

[3]馬天龍.汽車制動油管疲勞強度分析及其CAE仿真[J].天津科技，2020，47（04）：50-52.

[4]張波.基于ABAQUS的發動機懸置支架有限元分析[J].汽車實用技術，2017（12）：233-236.