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      某發(fā)動機惰輪支架設(shè)計應(yīng)用

      2013-08-29 08:17:34付友童向榮馬文亮李慧軍由毅馮擎峰
      汽車零部件 2013年8期
      關(guān)鍵詞:載荷有限元支架

      付友,童向榮,馬文亮,李慧軍,由毅,馮擎峰

      (吉利汽車研究院,浙江杭州311228)

      0 引言

      某發(fā)動機為匹配整車電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS),對前端輪系進行了重新開發(fā),輪系示意圖如圖1所示。為了節(jié)約成本和平臺通用化,惰輪采用供應(yīng)商現(xiàn)有產(chǎn)品,僅開發(fā)了惰輪支架。詳細(xì)地介紹了惰輪支架的整個開發(fā)過程以及試驗驗證中出現(xiàn)斷裂失效的優(yōu)化方法等內(nèi)容,為后續(xù)類似發(fā)動機零部件的設(shè)計開發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗。

      1 設(shè)計開發(fā)階段

      1.1 布置邊界分析

      設(shè)計一個零部件,首先要分析清楚該零部件的功用、使用位置、裝配配合零部件、配合尺寸的限定、周邊零部件布置間隙等問題。

      新開發(fā)輪系布置計算完成后,惰輪中心位置已確定,輪系布置圖如圖2所示。

      惰輪支架配合安裝固定在氣缸體與正時鏈罩之間支撐惰輪,為了避免改變原來的設(shè)計結(jié)構(gòu),增加零部件新模具投入,惰輪支架與原機械式液壓助力轉(zhuǎn)向泵安裝方式一致。惰輪支架安裝位置及周邊零部件如圖3、4所示。

      1.2 惰輪支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

      惰輪支架的布置邊界分析完成后,下面就是支架結(jié)構(gòu)的建模設(shè)計。根據(jù)裝配位置及惰輪位置限定,惰輪支架采用基本結(jié)構(gòu) (如圖5),基準(zhǔn)軸A-1為惰輪安裝中心,A-2/3為惰輪支架裝配軸中心,三軸形成等腰三角形,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

      如圖6所示,惰輪支架受到輪系傳遞給惰輪的徑向載荷F和裝配螺栓施加的預(yù)載荷壓力F1和F2,F(xiàn)1與F2大小相等,方向相反,與F在方向上垂直,初步分析圖中B區(qū)域受力應(yīng)變趨勢較大,因此在B區(qū)域設(shè)計了加強筋結(jié)構(gòu)。

      根據(jù)三軸定位、初步的受力分析及與惰輪的配合安裝,將惰輪支架其余結(jié)構(gòu)設(shè)計完整,完整惰輪支架設(shè)計三維數(shù)模如圖7所示。

      1.3 惰輪支架材料

      支架類零部件一般采用鑄鐵 (GB/T 1348-2009)和壓鑄鋁合金 (GB/T 15115-2009),兩種材料的應(yīng)用均較廣泛。發(fā)動機零部件工作環(huán)境一般都比較惡劣,外圍零部件設(shè)計一般要求耐腐蝕性,且隨著發(fā)動機零部件輕量化的設(shè)計趨勢,綜合考慮采用壓鑄鋁合金,選定牌號為YL112,此種材料具有好的鑄造性能和力學(xué)性能、抗熱裂性能好、易切削加工、質(zhì)量輕等特點。

      1.4 惰輪支架強度計算分析

      采用有限元分析方法,對發(fā)動機惰輪支架進行靜強度與疲勞強度計算,以評估惰輪支架的強度是否滿足設(shè)計要求,分析使用軟件 Altair Hypermesh 9.0、Abaqus 6.10 -1[1]。

      1.4.1 建立模型

      根據(jù)既定的分析方案構(gòu)建惰輪支架系統(tǒng)的有限元分析模型,包括:缸體 (切片)、正時罩蓋 (切片)、惰輪及其支架、連接螺栓等。網(wǎng)格類型主要采用二階四面體單元 (C3D10M),其中共包含二階四面體單元68 992個和127 167個節(jié)點 (如圖8所示)。

      1.4.2 材料屬性

      有限元分析需引入分析模型中各零部件的材料屬性,查找相應(yīng)零部件材料的標(biāo)準(zhǔn),材料屬性如表1所示。

      表1 主要部件的材料屬性

      1.4.3 靜強度分析邊界條件

      靜強度分析模型的參考型坐標(biāo)系為:發(fā)動機后端指向前段為正X向,下端指向上端為正Z向,遵循右手定則。各裝配貼合面設(shè)定為Tie約束,斷面設(shè)定為全約束,在沿坐標(biāo)軸方向上,分別施以15g的慣性加速度作用,分析模型邊界如圖9所示。

      輪系動態(tài)載荷模擬參數(shù)見圖10,由圖可知,惰輪 (IDL1)動態(tài)載荷模擬最大值為1 200N。

      1.4.4 靜強度分析結(jié)果?

      作為此次分析的惰輪支架,在計算所考慮的各個靜載荷工況下的應(yīng)力分布云圖如圖11—13所示。

      由以上靜應(yīng)力分析結(jié)果可知,惰輪支架在所考慮的計算工況下,支架的應(yīng)力水平均低于其材料的屈服極限 (σs=140 MPa),滿足靜強度設(shè)計要求。

      1.4.5 疲勞強度分析結(jié)果

      惰輪支架在工作過程中所受的載荷,通常是在不斷變化的 (如振動載荷與波動的皮帶力作用)而非靜態(tài)力作用,因此需要考察其支架在變載荷交替作用下的疲勞強度,以求評估更貼近實際工作條件??疾於栎喼Ъ艿母咧芷趶姸葧r,分別以3組工況載荷組合 (X正負(fù)方向加速度;Y正負(fù)方向加速度;Z正負(fù)方向加速度)作為交變載荷進行疲勞安全因子的計算,再求出3組疲勞工況安全因子的最小值云圖。疲勞計算所采用材料的疲勞屬性及考慮的疲勞影響因素如圖14所示。

      綜合3組載荷組合工況,惰輪支架最小疲勞安全因子分布云圖 (如圖15)所示。

      在計算所考慮的工況組合條件下,最小疲勞安全因子為1.04,該點位于接觸邊界點上,屬于應(yīng)力虛高位置,可不予關(guān)注。其余區(qū)域疲勞安全因子均大于建議值1.4的要求 (圖15),滿足疲勞強度設(shè)計要求。

      該分析結(jié)果是在對3D幾何模型做了一定離散化基礎(chǔ)上,以及特定的工況載荷條件下得出的;此外,疲勞計算精度還有賴于材料的疲勞特性參數(shù) (圖14)的準(zhǔn)確性。

      2 試驗驗證

      設(shè)計已完成,有限元分析評估也滿足要求,具體惰輪支架的設(shè)計能否滿足相關(guān)的性能要求,需要以試驗驗證為準(zhǔn)。樣件制造采用與設(shè)計材料相同的鑄鋁塊,利用數(shù)控加工的方式制造,此方式的優(yōu)點是制造加工方便,周期短,無需開發(fā)模具,首批樣件狀態(tài)如圖16所示。

      2.1 試驗方法

      惰輪支架和惰輪裝配完成以后,將組件裝配到試驗發(fā)動機上,進行交變負(fù)荷循環(huán)耐久試驗。使用的發(fā)動機為進行800 h循環(huán)負(fù)荷臺架試驗發(fā)動機,循環(huán)負(fù)荷耐久試驗每循環(huán)40 min,試驗運行1 200個循環(huán),共計800 h,試驗循環(huán)工況如圖17所示。

      2.2 試驗結(jié)果

      當(dāng)試驗進行到200 h時,檢查發(fā)現(xiàn)惰輪支架出現(xiàn)斷裂失效,惰輪支架第一次設(shè)計判定失敗,斷裂位置如圖18所示。

      3 斷裂分析及優(yōu)化結(jié)果

      3.1 斷裂分析

      如圖19所示,對照斷裂位置和有限元分析安全因子云圖,斷裂區(qū)域安全因子均處于1.8以上,有限元分析結(jié)論中判定安全因子為1.04區(qū)域處于應(yīng)力虛高的結(jié)論無誤,斷裂不處于該區(qū)域,而重新按定義的邊界條件進行計算分析,兩次結(jié)果相同,據(jù)此判定有限元分析邊界輸入條件有誤。

      為了查找原因,對邊界條件進行重新校對,發(fā)現(xiàn)其中惰輪動態(tài)載荷屬模擬數(shù)值,其余邊界條件均根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)引用,而模擬數(shù)值本身誤差較大,為查明負(fù)載的準(zhǔn)確大小,對輪系動態(tài)載荷進行了實際測量,惰輪實際負(fù)載為1 750N,遠(yuǎn)高于模擬數(shù)值,將實際負(fù)載引入有限元計算分析,結(jié)果安全因子僅為1.28,低于建議值1.4,導(dǎo)致斷裂位置應(yīng)力集中,在交變振動較強的工況下,惰輪支架容易發(fā)生疲勞斷裂。

      3.2 優(yōu)化方案及結(jié)果

      為了避免形成應(yīng)力集中造成惰輪支架斷裂,對第一方案安全因子低的區(qū)域進行了重新設(shè)計,加大了此處的圓角,且將加強筯結(jié)構(gòu)去除,采用大圓弧結(jié)構(gòu) (圖19紅色區(qū)域處),對惰輪支架的結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計調(diào)整,設(shè)計模型如圖19所示。

      模型修改完成,再按正確的邊界條件對惰輪支架新方案進行有限元強度分析,分析結(jié)果如圖20所示,圖中紅色區(qū)域的最大壓應(yīng)力為42.95 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,其安全因子為2.1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建議值1.4。按新模型重新制做機加樣件試驗驗證,新方案順利通過發(fā)動機臺架800 h循環(huán)耐久試驗,據(jù)此下達(dá)開模指令,進行工裝樣件的制造。惰輪支架的工裝樣件隨發(fā)動機應(yīng)用于整車上,順利通過整車3萬公里道路試驗,惰輪支架達(dá)到批產(chǎn)應(yīng)用的條件,整個開發(fā)階段結(jié)束。

      4 總結(jié)

      惰輪支架的設(shè)計開發(fā),首先應(yīng)詳細(xì)分析布置情況和邊界條件;設(shè)計模型時優(yōu)先考慮應(yīng)變趨勢較大區(qū)域,對該區(qū)域結(jié)構(gòu)進行加強;首版模型設(shè)計完成后,對模型進行有限元分析,評估各結(jié)構(gòu)的安全因子,分析通過后進行樣件試制驗證;驗證中采用標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)動機循環(huán)耐久,試驗條件充足,試驗可靠性較高;其中設(shè)計開發(fā)過程中出現(xiàn)的斷裂失效問題在于對理論分析的過度依賴,模擬的載荷條件與實際存在差異。

      通過對惰輪支架從設(shè)計到試驗驗證,再到失效優(yōu)化的介紹,詳細(xì)的說明了惰輪支架的整個開發(fā)過程,為后續(xù)類似發(fā)動機零部件的設(shè)計積累了寶貴經(jīng)驗。

      【1】莊茁.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

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