【案例分析】發動機前懸置有限元分析

2016-12-30  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

關鍵字:有限元分析 沖擊載荷

本文通過對某款發動機前懸置在垂直方向,側向和軸向上受到的反作用力進行計算,計算結果表明懸置在工況載荷下應力小于低周疲勞強度限值,瞬時沖擊載荷下應力小于屈服強度限值。前言

某款發動機現用前懸置在導入兩種不同應用的發動機中時與空壓機回油管干涉,重新設計了新的前懸置,需對新設計的前懸置進行FEA分析,判斷新的前懸置是否滿足設計要求。

分析假設

發動機前懸置會受到多種載荷,發動機點火時會對發動機懸置產生動態力,這些力可以通過設計合適的隔振墊使之最小化,外力如懸浮載荷,挖掘力,沖擊等會導致支撐發動機及附件的結構出現偏轉,隔振墊應該允許這些偏轉而不會使發動機支撐受載,也就是說,發動機及附件應該可以允許獨立偏轉。此分析假設無明顯的由這些因素導致的發動機支撐的應力。

任務來源及判定依據

1、安裝載荷計算,計算懸置在垂直方向,側向和軸向上受到的反作用力。

2、利用算得的反作用力作為有限元分析的輸入進行應力分析,有限元分析得出的模型應力必須在材料限值范圍內,要求懸置在工況載荷下應力必須小于低周疲勞強度限值,瞬時沖擊載荷下應力必須小于屈服強度限值。

瞬時沖擊載荷如下:

向上10g,向下8g,向右5g,向左5g,向前9g和向后9g

工況載荷如下:

向上6g,向下4g,向右2g,向左2g,向前4g和向后4g

懸置支反力計算

前懸置支反力與發動機重量及發動機附接設備的總重量相關。上下方向自由體受力圖見下圖。在此前懸置的應用中前懸置上下方向支反力RF及左右方向支反力RS與發動機重量及變速箱重量相關,懸置支反力計算輸入:

發動機重量We=362×9.8N

應用一

L1=1149mm L2=175mm L3=882mm Wt=156×9.8N

應用二

L1=1010mm L2=146mm L3=853mm Wt=130×9.8N

表1 懸置系統在前后方向的靜剛度

根據靜剛度的定義:靜載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度,靜剛度是力-位移曲線中力的變化量與位移變化量的比值,其計算公式為:

K=(F1-F2)/(S1-S2)

發動機及變速箱總成產生的前后作用力由前后減振墊承受,與前后減振墊的軸向靜剛度成正比,通常更希望后減振墊的軸向剛度比前減振墊的軸向剛度大。

假定所有減振墊在軸向力作用下變形量相同。前懸置前后方向支反力Ra,RT代表尾部支撐支反力

則:Ra=KFAxDA

RT=KRAxDA

在1G軸向力作用下:2Ra+2RT=WE+Wt

由于Rt/Ra=KFR/KFA

RT=(KFR/KFA)Ra,

所以2Ra+2(KFR/KFA)Ra=WE+Wt

Ra(2+2(KFR/KFA)=WE+Wt,

前后方向1G加速度下:

Ra=(WE+Wt)/(2+2(KFA/KRA))

前懸置支反力計算結果:表2 前懸置支反力計算結果 注:此表中X為發動機水平方向,Y為發動機垂直方向,Z為發動機軸向方向

按上表結果,前懸置在X、Y方向受力,應用二發動機應用高于應用一發動機應用,而Z方向受力應用二發動機應用低于應用一發動機應用,接最惡劣工況計算,則X、Y方向受力采用應用二發動機應用受力,而Z方向受力采用應用一發動機應用受力。

則有限元分析采用的懸置支反力結果如下:表3 懸置支反力計算結果

分析模型包括前懸置,進水管座,及1/8缸體簡化模型以減少單元數量減少計算時間,缸體與缸體剩下部分連接面固定,支反力加在減振塊聯接面上。

疲勞分析

EFR(Equivalent Fully-Reversed)應力是平均應力為零的交變應力,所產生的破壞與實際應力循環相當,EFR計算公式:

疲勞分析可通過分別分析出懸置支架在前后,左右及上下服務工況下的應力,通過APDL編輯出的宏命令計算懸置支架各點的平均應力及交變應力,并按以上EFR計算公式即可算出懸置支架各點的EFR應力。

有限元分析結果
表5 左右懸置支架的EFR值結果

在沖擊載荷作用下左右懸置支架的等效應力結果如下:
表6 沖擊載荷作用下左右懸置支架的等效應力結果

根據標準要求懸置在工況載荷下應力小于疲勞強度限值,瞬時沖擊載荷下應力小于屈服強度限值。

此懸置在瞬時沖擊載荷下最大等效應力327MPa,小于前懸置材料QT550的屈服強度379MPa,滿足要求。

此懸置在各向交變力作用下,其EFR應力值最大為149MPa,小于前懸置材料QT550 250,000次循環對應的EFR限值(0.69*UTS=381MPa),滿足要求。

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