发动机排气制动阀支架有限元分析(一)

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发表时间:2016-01-11 20:07来源:第一汽车集团公司
导语:

拓扑优化技术作为结构优化设计中最热门的方法,已成功应用于求解结构的刚度最大化优化问题。在结构动态分析方面,频率拓扑优化设计在理论上的研究已经较为成熟,但由于工程问题的复杂性,动态拓扑优化技术仍较少应用于实际工程分析。以某发动机排气制动阀支架为例,阐述了利用OptiStruct软件中的动态拓扑优化技术在工程上的应用。该支架在使用过程中由于共振产生断裂,根据有限元分析和模态分析结果,建立合理的拓扑优化模型,加以工艺制造约束和模态追踪控制,在保证结构质量不增加的前提下,利用拓扑优化技术实现了发动机排气系统固有频率的优化设计。优化后的支架不仅可以避开原系统的共振区域,降低支架重量,而且可以简化支架的加工工艺,一方面降低了生产成本,另一方面还减少了冲压过程中形成弯角褶皱的风险。

前言

  由于设计变量类型的不同,结构优化设计可以分为由易到难的四个不同层次:尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑布局优化。目前尺寸优化的理论和方法已比较成熟,拓扑优化理论和算法还处于有待完善的阶段。但是在工程应用中,拓扑优化可以提供概念性设计方案,取得的经济效益比尺寸优化、形状优化更大,因此,拓扑优化技术对工程设计人员更具吸引力,已经成为当今结构优化设计研究的一个热点。与尺寸优化和形状优化相比,很少有人研究振动结构的拓扑优化设计。这是因为,设计人员在零部件的初始设计阶段没有任何的几何信息(包括结构形状、尺寸等),却要在指定的初始条件和设计区域内,输出结构的拓扑形状,并控制系统的固有频率,使其远离共振区,这是相当困难的工作。众所周知,最早、最重要的拓扑优化研究起始于1904的Michell桁架理论。经过将近一个世纪的空白之后,Prager和Rozvany,Zhou 等将Michell桁架理论发展为通用的拓扑布局优化理论。尽管Olhoff和Rozvany等已经进行了平板结构的频率优化研究,上世纪九十年代也有大量学者在前人基础上进行了改进研究,以MA KIKUCHI 等为代表的学者在拓扑动态优化理论研究方面做出了较大的贡献,但很少有关振动结构的工程拓扑优化实例问世。本文以某发动机的排气制动阀支架为例,在给定的设计空间和边界条件下,使支架系统沿发动机横向 1阶振动固有频率必须大于110Hz,并且优化后的支架重量不能比原有支架重。

支架系统的有限元分析和模态分析

1、力学模型的建立

   排气制动阀支架主要起到支撑发动机涡轮增压器的作用,在最初的设计中,因为没有考虑发动机振动对其工作性能的影响,导致支架损坏。本文根据支架所受载荷实际情况,对原有支架系统进行了静力学分析和模态分析。系统模态计算,模型见图1。在支架侧板与发动机连接处三个螺栓孔都约束123 456自由度,排气管和发动机连接处十二个螺栓孔都约束123 456自由度,支架顶部的涡轮增压器采用质量单元(CONM2)简化,在涡轮增压器质心处加20kg质量元和相应的转动惯量。

见图/See picture

   支架强度计算和疲劳安全系数分析,模型见图2。约束:在支架侧板与发动机连接处三个螺栓孔分别约束123 456自由度。载荷:第一工况:在支架顶部涡轮增压器质心处(CONM2)加上沿气缸轴线方向向下600N的力,同时,排气管由于高温废气的温度影响,沿发动机曲轴轴线方向有一定的升长,所以,在涡轮增压器质心点处加上沿曲轴轴线方向向外的强制位移2mm;第二工况:在支架顶部连接件的质心处加沿气缸轴线方向向上200N的力,同时在涡轮增压器质心点处加沿曲轴轴线方向向外的强制位移2mm。

见图/See picture

2、支架损坏的原因分析
   经过模态分析,支架系统沿发动机横向1阶振动固有频率为103.7Hz,支架振型如图3所示。其中灰色结构为没有发生振动的形态,深色结构为系统沿发动机横向1阶振动时支架的振型。而该发动机在常运转转速下要求支架系统固有频率必须在110Hz以上,所以可以初步判断支架损坏主要是由于共振造成的。为进一步明确支架的损坏原因,进行了支架的静态强度和疲劳安全系数分析,其危险点疲劳安全系数云图如图4所示,从图中可以看出,支架的最小安全系数为1.267,已经大于人们默认的结构安全最小阀值1,所以支架在静态和动态载荷作用下已经满足结构的强度需求,不会导致支架损坏。根据上述结果可知,为避免支架损坏,只需要在满足现有结构强度的基础上,提高支架系统的第一阶固有频率。

见图/See picture


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链接:发动机排气制动阀支架有限元分析(二)