某柴油機油底殼仿真計算分析

高迎賓　袁帥　潘效龍　李艷君

摘要：本文利用ABAQUS結構仿真軟件對某發電用柴油機油底殼進行模態、強度計算。在發動機實際運行工況下，油底殼底部為懸空狀態，模態計算結果顯示油底殼一階模態距發動機點火激勵頻率點較近，低于激勵頻率的1.2倍，模態不滿足設計要求;在發動機裝配過程中，油底殼底部壓在裝配臺上，發動機在上下方向三倍的重力加速度沖擊載荷工況下，油底殼產生的應力最大值低于對應材料的屈服強度極限，強度滿足設計要求。通過對油底殼兩種狀態下的仿真分析，驗證和確保了油底殼結構設計的可行性，有效避免了發動機裝配和實際運行過程中故障的發生。

Abstract： In this paper， the mode and intensity of oil pan have been calculated by using ABAQUS structure simulation soft. In the actual operating condition of the engine， the bottom of the oil pan is suspended， the mode simulation result shows that the first mode of oil pan is not much bigger than excitation frequency of engine， smaller than 1.2 times of engine excitation frequency， the mode is not satisfied to the design demand. During engine assembly， the bottom of the oil pan loads on the assembly table. Under three times impact of gravity， the maximum stress of oil pan is smaller than Yield intensity limit， the intensity is not satisfied to the design demand. The analysis of oil pan simulation verify and guarantee the design. It avoids the engine fault effectively under the assembly and actual operating condition， the fault of engine assembly and actual operation is avoided effectively.

關鍵詞：結構仿真;模態;強度;油底殼

Key words： structure simulation;mode;strength;oil pan

0 ?引言

油底殼是發動機上重要的零部件，它的設計除了要滿足基本的為潤滑系統貯存、提供潤滑油的要求之外，還要滿足使用可靠性。本文即利用ABAQUS結構仿真軟件對新設計油底殼進行了可靠性仿真驗證，為油底殼的設計和改進提供了指導方向。

1 ?有限元模型

1.1 油底殼建模

油底殼模型如圖1所示，油底殼內部有多個肋板結構，油底殼材料屬性如表1所示。

對油底殼、機油及相連接部件齒輪室進行有限元網格劃分，油底殼外殼、機油及齒輪室采用二階四面體網格劃分，油底殼內部肋板采用殼單元網格劃分，有限元模型如圖2所示。

1.2 載荷、邊界條件及載荷定義

在發動機實際運行過程中，油底殼靠螺栓固定在發動機上，底部懸空;在發動機裝配過程中，油底殼壓在裝配臺架上，油底殼承載著整臺發動機重量，因此本例模態和強度計算的邊界條件不同。另考慮到模態是機械結構的固有振動特性，因此模態計算時，無須對模型進行邊界載荷施加。模態計算時，邊界條件定義如圖3所示，對油底殼上部螺栓孔、齒輪室螺栓孔進行邊界固定。強度計算時，邊界條件定義如圖4所示，對油底殼與裝配臺架接觸面進行邊界固定，對整個有限元模型施加上下兩方向3倍的重力加速度靜力載荷沖擊。模態和強度計算時，油底殼與齒輪室、油底殼與機油的接觸面均采用Tie連接。

2 ?有限元計算結果分析

2.1 模態分析

對油底殼約束模態進行計算，模態計算結果如表2所示。

油底殼一階模態為106.9Hz，振型如圖5所示，一階模態高于發動機最高空車轉速（最高空車轉速為1800rpm，柴油機為六缸機）下點火激勵頻率90Hz，但與激勵頻率相差較小，低于激勵頻率的1.2倍即108Hz，存在一定共振風險。從一階模態陣型看，變形出現在油底殼底面，因此在改進設計中應增加油底殼底面厚度，或改變底面結構以增強油底殼底面剛度，從而提高油底殼一階模態，完全避開共振風險。

2.2 強度分析

對油底殼進行應力分析，在上下兩方向3倍的重力加速度靜力載荷沖擊下，油底殼的應力計算結果如表3所示。

由計算結果可以看出，油底殼在上下方向載荷沖擊下產生的最大應力值相同，均為166.3MPa，低于材料屈服強度極限235MPa。應力最大值均出現在油底殼底座邊側與油底殼底面的接觸部位，靜強度滿足油底殼的設計要求，應力分布云圖如圖6所示。

3 ?結論

①模態計算結果顯示油底殼一階模態距發動機點火激勵頻率點較近，低于激勵頻率的1.2倍，一階模態變形出現在油底殼底面上。在優化設計中，應增加油底殼底面厚度或優化底面結構以提高油底殼底面剛度，從而提高油底殼一階模態，避開共振風險。

②強度計算結果顯示，在上下兩方向3倍的重力加速度靜力載荷沖擊下產生的最大應力值相同，均發生在油底殼底座邊側與油底殼底面的接觸部位，最大應力值低于油底殼材料的屈服強度極限，油底殼強度設計滿足要求。

參考文獻：

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作者簡介：高迎賓 （1990-），男，山東濰坊人，碩士，研究方向為汽車CAE仿真、結構優化。