基于hyperworks的发动机进水管结构分析与优化

1、Altair 2017 技术大会集基于 HyperWorks 的发动机进水管结构分析与优化Structural Analysis and Optimization of Engine Water Inlet Pipe Based on HyperWorks江淮纳威司达柴油发动机合肥 230601摘要：某发动机在 PZD 试验过程中，出现进水管开裂现象。本文应用 HyperWorks 模拟试验载荷对发动机进水管进行模态及强度分析，找出了进水管开裂的根本化设计使其满足设计要求。：发动机进水管 HyperWorks 模态 强度 间隙，并对其结构进行了优Abstract: During engine

2、PZD test process, the water inlet pipe was cracked .In this paper, we use HyperWorks to analyze mode and strength of the engine water inlet pipe according to test boundary and load, and find out the root cause of the inlet pipe cracking, we optimized structureof water inlet pipe to make it meet the

3、design requirement.Key works: water inlet pipe, HyperWorks, mode, strength, clearance1概述某柴油发动机进水管由于集成了燃油滤清器支架，其可靠性直接影响到燃油滤清器和发动机的正常工作。由于有限元分析有时会对模型的结构和边界进行理想化的假设，往往由于这些细微的差别就可能会出现分析时结构强度满足要求，而实际会出现某些薄弱环节或局部的强度、刚度不足。在 PZD 试验过程中发动机进水管出现开裂现象（如图 1 所示），在对其进行、装0.35mm 的间隙，间隙位置配、工艺等方面的检查后，发现进水管支撑面与缸体安装面之间如图

4、 2 所示，而设计初期对水管进行有限元分析时是按照默认无间隙计算的。间图 1 进水管开裂位置图图 2 水管支撑面与缸体间隙示意图-1-Altair 2017 技术大会集本文以此柴油发动机进水管为分析对象，利用 Altair 公司的 HyperMesh 建立准确合理的有限元模型，经 Abaqus 求解后利用 HyperView 进行结果后处理，快速、高效的得到结构的应力、变形云图，找出水管开裂的根本进，经验证后满足设计要求。，并在此基础上提出了优化设计方案，进行了性的结构改2 计算描述2.1 模型描述进水管安装图 3 所示，截取连接进水管的部分缸体数模，在 HyperMesh 中对三维模型进行检

5、查修复，主要修复不连续的面、对螺栓进行修改，检查装配。网格划分时首先将螺栓以及接触面做好，之后再进行其他部位的划分。不同零部件间的接触耦合示。精滤滤罐（充满油的）质量 2.85Kg 以质量点 Mass 单元代替,其余零件均画成实体的表 1 所四面体单元，模态分析使用 C3D10 单元，强度分析使用 C3D10M 单元，划分完成的模型如图 4。所有前处理工作全部在 HyperMesh 中完成，后续的边界约束及螺栓预紧力和冲击载荷加载等。图 3 发动机进水管安装实物图图 4 有限元模型示意图表 1 不同部件间的接触耦合定义2.2 材料属性发动机进水管材料采用 ZL102，其对应屈服强度 141MP

6、a。所有部件的详细材料属性见表 2。表 2 零件材料属性-2-从面主面接触耦合方式进水管缸体Small sliding, =0.15燃油滤清器底座进水管Small sliding, =0.15所有螺纹接触面Tied所有螺帽接触面Small sliding, =0.15Altair 2017 技术大会集2.3 约束及加载模态分析：约束缸盖截取面的三向平动度，部件连接的类型为 TIE。强度分析：（1） 约束同模态分析。（2） 螺栓预紧力：考虑进水管与缸体连接螺栓（M8）打紧力矩为 20Nm，燃油滤清器底座与进水管固定螺栓（M10）打紧力矩为 36Nm,所以对应加载的螺栓预紧力分别为 12500N

7、和 18000N。（3） 、分析步：如表 3 所示，共 8 个分析步，分别为：螺栓预紧力加载、螺栓长度固定、±X方向 15G度、±Y方向 15G度、±Z 方向 15G表 3 分析步载荷历程度。3 分析结果有限元模型经调试无误后提交计算，使用后处理HyperView 查看模态振型及应力分布云图：（1）、模态分析结果-3-载荷历程基础载荷Step1Step2Step3Step4Step5Step6Step7Step8装配载荷+X15G+-X15G+Y15G+-Y15G+Z15G+-Z15G+材料弹性模量（GPa）泊松比密度(t/mm³)缸体HT2501150

8、.267.2e-9螺栓Steel2100.37.85e-9发动机进水管ZL102700.332.7e-9燃油滤清器底座Altair 2017 技术大会集系统模态频率要求是在最大可持续超速转速下，一阶固有频率 fmin >1.414ffire。在四缸四冲程发动机最大转速 2550rpm 下，发动机激励频率 ffire 为 85Hz，所以系统的一阶模态要大于120Hz。图 5 为模态分析一阶模态振型图，结果显示，进水管一阶模态 138Hz，满足大于 120Hz要求。图 4 系统一阶模态振型图（2）强度分析结果图 5 为理想状态下，即发动机进水管与缸体安装面不间隙的情况下的应力分布情况，从分析

9、结果可以看出水管整体应力不大（忽略螺栓孔附近应力），这也是设计前期没有发现问题的原因。a）+Y 15Gb）-Y 15G图 5 理想状态下应力分布云图、装配、工艺等方面的检查后，发现进水管支撑面与缸体安装面之间存在对进水管进行在 0.35mm 的间隙，在分析增加这个接触对间的初始间隙后，强度分析结果如图 6 所示（仅-4-Altair 2017 技术大会集列出发动机进水管所受应力较大工况下的分布云图）。从分析结果可知，间隙的使螺栓预紧的过程中水管圆角过渡处产生了很大的应力，局部已经接近甚至超过进水管材料 ZL102 的屈服极限141MPa，位置与实验过程中的开裂位置吻合。a）+Y 15Gb）-Y

10、 15G图 6 实际状态（0.35mm 间隙）下应力分布云图4 结构优化分析在台架上对进水管及燃油滤清器布置传感器，进行振动测试（如图 7 所示）。结果显示振动最大值出现在 Y 向（约 18G），其余两个方向振动均较小（如图 8 所示）。而通常进行发动机零部件强度校核使用的冲击载荷极限工况 设定在 15G 左右，由此可见，进水管支撑面与缸体安装面之间的间隙和 Y 向的较大振动载荷是进水管产生开裂的主要因素。图 7 传感器布置位置示意图基于以上分析，从如下两方面对进水管结构进行优化：图 8 振动测试结果（1）对缸体及进水管公差进行，增加进水管安装面到进水管支撑凸台安装面的高度差由 2±

11、0.4mm 改为 2 mm面（基准面）到支撑面的距离由 2±0.1mm 改为 2mm。0+0.1-0.10公差更改后，进水管安装后之场面与缸体的理论间隙为 00.2mm，如图 9 所示。（2）受油管布置空间限制，将进水管连接处圆角半径增大并增加加强筋以减小应力集中，增加螺栓孔凸台附近加强筋的高度，同时在燃油滤清器固定螺栓处加加强筋,如图 10 所示。-5-Altair 2017 技术大会集图 9 进水管安装面示意图图 10 进水管优化方案示意图进水管结构优化后，重新建模并考虑进水管支撑面按理论间隙最大值 0.2mm 提交计算。分析结果显示。系统一阶模态 156Hz，较原结构提升 18Hz。进水管最大应力出现在 Y-15G 工况下，为 86MPa，远低于对应材料的屈服极限。经试验试验验证后，未发生开裂现象。反馈，结构更改后的发动机进水管经过 PZD图 11 优化后系统一阶模态振型图图 12 进水管结构优化后应力分布云图5 结论本文对实际工程问题进行有限元分析，找出了发动机进水管试验开裂的。通过结构优化，有效的降低了发动机进水管局部应力集中现象，避免了可靠性试验再次