【案例分析】发动机前悬置有限元分析

关键字：有限元分析  冲击载荷  

本文通过对某款发动机前悬置在垂直方向,侧向和轴向上受到的反作用力进行计算,计算结果表明悬置在工况载荷下应力小于低周疲劳强度限值，瞬时冲击载荷下应力小于屈服强度限值。

前言

某款发动机现用前悬置在导入两种不同应用的发动机中时与空压机回油管干涉，重新设计了新的前悬置,需对新设计的前悬置进行FEA分析，判断新的前悬置是否满足设计要求。

分析假设

发动机前悬置会受到多种载荷，发动机点火时会对发动机悬置产生动态力，这些力可以通过设计合适的隔振垫使之最小化，外力如悬浮载荷，挖掘力，冲击等会导致支撑发动机及附件的结构出现偏转，隔振垫应该允许这些偏转而不会使发动机支撑受载，也就是说，发动机及附件应该可以允许独立偏转。此分析假设无明显的由这些因素导致的发动机支撑的应力。

任务来源及判定依据

1、安装载荷计算，计算悬置在垂直方向，侧向和轴向上受到的反作用力。

 2、利用算得的反作用力作为有限元分析的输入进行应力分析，有限元分析得出的模型应力必须在材料限值范围内，要求悬置在工况载荷下应力必须小于低周疲劳强度限值，瞬时冲击载荷下应力必须小于屈服强度限值。

    瞬时冲击载荷如下：

    向上10g，向下8g，向右5g，向左5g，向前9g和向后9g

    工况载荷如下：

    向上6g，向下4g，向右2g，向左2g，向前4g和向后4g

悬置支反力计算

前悬置支反力与发动机重量及发动机附接设备的总重量相关。上下方向自由体受力图见下图。在此前悬置的应用中前悬置上下方向支反力RF及左右方向支反力RS与发动机重量及变速箱重量相关，悬置支反力计算输入：

图1 上下方向自由体受力图

发动机重量   We=362×9.8N

应用一

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

应用二

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

表1 悬置系统在前后方向的静刚度

 前悬置支反力计算公式：

根据静刚度的定义：静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，静刚度是力-位移曲线中力的变化量与位移变化量的比值，其计算公式为：

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

发动机及变速箱总成产生的前后作用力由前后减振垫承受，与前后减振垫的轴向静刚度成正比，通常更希望后减振垫的轴向刚度比前减振垫的轴向刚度大。

假定所有减振垫在轴向力作用下变形量相同。前悬置前后方向支反力Ra，RT代表尾部支撑支反力

则：Ra=KFAxDA

RT=KRAxDA

在1G轴向力作用下：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))

前悬置支反力计算结果：

表2 前悬置支反力计算结果

注：此表中X为发动机水平方向，Y为发动机垂直方向，Z为发动机轴向方向

 按上表结果，前悬置在X、Y方向受力，应用二发动机应用高于应用一发动机应用，而Z方向受力应用二发动机应用低于应用一发动机应用，接最恶劣工况计算，则X、Y方向受力采用应用二发动机应用受力，而Z方向受力采用应用一发动机应用受力。

则有限元分析采用的悬置支反力结果如下：

表3 悬置支反力计算结果

分析步骤

材料属性

表4 材料属性表

支撑及加载

分析模型包括前悬置，进水管座，及1/8缸体简化模型以减少单元数量减少计算时间，缸体与缸体剩下部分连接面固定，支反力加在减振块联接面上。

疲劳分析

EFR(Equivalent Fully-Reversed)应力是平均应力为零的交变应力，所产生的破坏与实际应力循环相当，EFR计算公式：

图2 悬置支架各点的平均应力及交变应力

疲劳分析可通过分别分析出悬置支架在前后，左右及上下服务工况下的应力，通过APDL编辑出的宏命令计算悬置支架各点的平均应力及交变应力，并按以上EFR计算公式即可算出悬置支架各点的EFR应力。

有限元分析结果

在服务载荷下，左右悬置支架的EFR值结果如下：

表5 左右悬置支架的EFR值结果

下图为左右悬置支架在Y向交变力作用下EFR应力分布云图

图3 左右悬置支架在Y向交变力作用下EFR应力分布云图

在冲击载荷作用下左右悬置支架的等效应力结果如下：

表6 冲击载荷作用下左右悬置支架的等效应力结果

下图为左右悬置支架在各工况下最大等效应力分布云图

图4 左右悬置支架在各工况下最大等效应力分布云图

分析结果和建议

根据标准要求悬置在工况载荷下应力小于疲劳强度限值，瞬时冲击载荷下应力小于屈服强度限值。

此悬置在瞬时冲击载荷下最大等效应力327MPa，小于前悬置材料QT550的屈服强度379MPa，满足要求。

此悬置在各向交变力作用下，其EFR应力值最大为149MPa，小于前悬置材料QT550 250,000次循环对应的EFR限值(0.69*UTS=381MPa)，满足要求。

小编：图图

转发任意一条消息到朋友圈，并发送截图和邮箱，即可领取网盘大礼包，免费获取200G学习资料。