發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼有限元分析

1、發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼有限元分析現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)對(duì)減重和降低成本的需求越來(lái)越高，以往商用車(chē)用的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼材 料f 都為鋼或鑄鋁,而目前國(guó)夕卜先進(jìn)的汽車(chē)制造商越來(lái)越傾向于塑料油底殼的硏發(fā) 和生產(chǎn)。塑料油底殼不僅可以減少模具制造的費(fèi)用，而且也省略了鋁合金油底殼壓鑄 后的機(jī)械加工工序，其生產(chǎn)成本應(yīng)比鋁合金油底殼低30% 40%。另外，塑料油底殼 還因?yàn)榧闪擞偷馈⑽凸?、機(jī)油過(guò)濾器、單獨(dú)的備用油口和防濺板等，進(jìn)一步減少 了空間占用、生產(chǎn)制造費(fèi)用和裝配費(fèi)用。結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析技術(shù)是一項(xiàng)新興的設(shè)計(jì)方法,用于逬行概念設(shè)計(jì)和精細(xì)設(shè)計(jì)。它分為 拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，且所有優(yōu)化類(lèi)型可以進(jìn)行組合。它可以 在方案設(shè)

2、計(jì)階段給出零部件甚至車(chē)身原型合理的材料布局，減輕結(jié)構(gòu)重量，以及合理 的確定零件的一些參數(shù)和形狀。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，企業(yè)能縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品性 能，減少昂貴的樣件生產(chǎn)和整車(chē)測(cè)試的次數(shù)。國(guó)外針對(duì)汽車(chē)底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件的 優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)的研究及應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟。國(guó)內(nèi)目前仍處于理論研究階段，各汽 車(chē)廠家也極少實(shí)際應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。而且當(dāng)前優(yōu)化的軟件還不成熟，需要更多的研究和 實(shí)例應(yīng)用。目前汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，國(guó)內(nèi)國(guó)外各大廠家都在使用或者關(guān)注優(yōu)化技術(shù)， 期望通過(guò)它來(lái)提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。優(yōu)化分析技術(shù)必將在未來(lái)幾年得到快速的發(fā)展。形貌優(yōu)化是一種形狀最佳化的方法，它可以用來(lái)設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕。用來(lái)減 輕結(jié)構(gòu)的

3、重量,同時(shí)又能滿(mǎn)足強(qiáng)度、頻率等要求。設(shè)定優(yōu)化步驟簡(jiǎn)單,只需要定義一 個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域、裝飾條的最大深度和拉伸角。同時(shí)考慮到可加工形，軟件還提供了多種 壓痕成型方式。優(yōu)化后的結(jié)果還可以用felac工具產(chǎn)生的幾何數(shù)據(jù)輸入到cad軟件 中，進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。以某商用年發(fā)動(dòng)機(jī)塑料油底殼為硏究對(duì)象,應(yīng)用形貌優(yōu)化分析方法對(duì)其加強(qiáng)筋進(jìn)行 了優(yōu)化布局分析,最終使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)疲勞分析的方法和應(yīng)用在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全 斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程，稱(chēng)為疲勞。由此，可以確定 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的兩個(gè)必要條件：1 ）擾動(dòng)應(yīng)力；2）足夠多的循環(huán)。如過(guò)不

4、具備這兩個(gè)條件，設(shè)計(jì)過(guò)程中就沒(méi)有必要考慮結(jié)構(gòu)的疲 勞問(wèn)題。目前，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析主要有兩種途徑:1）利用有限元分析軟件直接對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，最終求得結(jié)構(gòu)的疲勞壽命;2）根據(jù)不同的疲勞工況，利用有限元軟件分析計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化，然后將其與利用規(guī)范計(jì)算出的許用疲勞應(yīng)力相比較，看是否滿(mǎn)足要求。對(duì)于前者，最為關(guān)鍵的 是定義輸入載荷譜或應(yīng)力譜，而當(dāng)結(jié)構(gòu)的工況相對(duì)較為復(fù)雜時(shí)，載荷譜或應(yīng)力譜的定 義過(guò)程就相當(dāng)于后者的前期處理過(guò)程；同時(shí)，客戶(hù)一般會(huì)在協(xié)議中指定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 時(shí)必須參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所以為了更好地滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，建議結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算時(shí)采用 后者的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)一般包括以下

5、五個(gè)方面：1. 疲勞載荷的確定結(jié)構(gòu)所承受的載荷可以分為三種：1 ）基本載荷，主要指設(shè)備在正常工作情況下通 常出現(xiàn)的載荷（如結(jié)構(gòu)自重、物料載荷、永久性動(dòng)載等）；2）附加載荷z主要指設(shè)備 運(yùn)行或停止時(shí)可能斷續(xù)出現(xiàn)的載荷（如設(shè)備工作風(fēng)載、摩擦阻力、運(yùn)行阻力、非永久 性動(dòng)載等）；3）特殊載荷，是指在設(shè)備工作和非工作狀態(tài)時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生，但又無(wú)法避免 的載荷（如非工作風(fēng)載、結(jié)構(gòu)碰撞、地震載荷等）。疲勞計(jì)算時(shí)只需考慮基本載荷， 而且對(duì)于物料載荷或其它的基本載荷,有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中還規(guī)定了疲勞計(jì)算時(shí)載荷的縮 小系數(shù)。2、循環(huán)次數(shù)的確定同一結(jié)構(gòu)，所考慮的疲勞載荷不同時(shí),其循環(huán)次數(shù)也不盡相同，這主要是因?yàn)椴煌?的疲勞載荷

6、產(chǎn)生的原因是不同的。例如,對(duì)于堆取料機(jī)來(lái)說(shuō)，考慮物料載荷的擾動(dòng)影 響時(shí)是指?jìng)魉推衔锪系挠袩o(wú)，而考慮永久性動(dòng)載的擾動(dòng)影響時(shí)則是指設(shè)備在工作 過(guò)程中的正常啟、制動(dòng)，即便是同一結(jié)構(gòu)的同一載荷，針對(duì)不同的工作工藝流程，其 循環(huán)次數(shù)也是不同的。所以，設(shè)備的工作工藝流程是不同載荷循環(huán)次數(shù)計(jì)算的決定性 因素。當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)確定后，首先應(yīng)該判斷其對(duì)結(jié)構(gòu)的循環(huán)擾動(dòng)作用是否足夠 多，當(dāng)循環(huán)次數(shù)n<103 （ 104）（低周疲勞）時(shí)，無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞校核。3. 構(gòu)件焊接形式的選擇工程中的鋼結(jié)構(gòu)多為焊接結(jié)構(gòu),構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度除取決于結(jié)構(gòu)使用的材料外，還與 接頭的形狀和制造方法密切相關(guān)。被連接件的形狀和連接

7、方法會(huì)影響到應(yīng)力集中的形 成，從而使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度大為降低。不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)的前提下,給 出了針對(duì)不同的焊接接頭形式的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度（圖1 ,為as4100- 1998標(biāo)準(zhǔn)中所列 舉的針對(duì)載荷循環(huán)次數(shù)為2x106構(gòu)件的焊接形式及其許用應(yīng)力幅值，左邊的數(shù)字便為其疲勞強(qiáng)度值，單位為mpa ）。因此，如何根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際焊接形式恰當(dāng)?shù)貙?duì)照標(biāo)準(zhǔn) 中的焊接類(lèi)型來(lái)確定結(jié)構(gòu)具體部分的疲勞強(qiáng)度值，也需要一定經(jīng)驗(yàn)的積累。圖1構(gòu)件不同焊接形式的疲勞強(qiáng)度4有限元計(jì)算時(shí)應(yīng)力的取值結(jié)構(gòu)按不同計(jì)算工況用有限軟件計(jì)算完畢后，在后處理中可以選擇的應(yīng)力有很多 種，究竟以明0種應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度校核時(shí)的參考應(yīng)力很值得探討。

8、在美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 規(guī)范中明確提岀，對(duì)于整個(gè)應(yīng)力范圍內(nèi)全部承受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)的疲勞 強(qiáng)度，因?yàn)檫@種情況下裂紋不會(huì)擴(kuò)展出焊縫殘余拉應(yīng)力以外的范虱 由此，應(yīng)力的取 值應(yīng)該區(qū)分出正負(fù)值，所以原則上來(lái)說(shuō)，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位，只有主應(yīng)力才能夠嚴(yán) 格地區(qū)分出結(jié)構(gòu)局部承受的應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力。按板殼單元計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力 時(shí)，還有點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)該取值于板的頂面、中位面還是底面的問(wèn)題。由于板殼的同一點(diǎn) 在同一工況下當(dāng)其在頂面上表現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，而底面上則可能表現(xiàn)為壓應(yīng)力，所以對(duì)于 同一點(diǎn)，校核其疲勞強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力值的取面應(yīng)該保持一致。5 .許用疲勞應(yīng)力的確定就目前不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)說(shuō)，疲勞計(jì)算常用方法可分為兩種：1 ）應(yīng)力比法， 一般無(wú)較大殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu),如已消除殘余應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)或用螺栓、挪釘?shù)冗B接的 非焊接結(jié)構(gòu)適合用應(yīng)力比法確定其疲勞特性。2 ）應(yīng)力幅法，對(duì)有較大焊接殘余應(yīng)力、 較多焊接初始缺陷的焊接結(jié)構(gòu),應(yīng)力幅法比應(yīng)力比法更能反映其疲勞的實(shí)際狀態(tài)由二者的名稱(chēng)，明顯可以看岀其區(qū)別所在，應(yīng)力比法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某 點(diǎn)最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值，而應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)