基于CAE的重力場對旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)零部件振動可靠性的影響

1 前言

柴油機上有諸多對稱結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)零部件,其中包括有對稱風(fēng)扇、皮帶輪、減振器和風(fēng)扇離合器等。這些對稱結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)微分方程求解時至少會出現(xiàn)一個特征值對應(yīng)兩個特征向量的情況,也就是同一個模態(tài)頻率下對應(yīng)兩種模態(tài)振型的情況。但對于實際的風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu),重力場可能導(dǎo)致兩個正交方向上的模態(tài)頻率有所差異,本文旨在探討旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇離合器在重力場影響下的模態(tài)頻率差異,以及這種差異對柴油機整機可靠性的影響。

2 有限元模型的計算

2.1 有限元模型的建立

風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)包括中間法蘭、風(fēng)扇離合器組成。在CATIA軟件建立了風(fēng)扇離合器的三維實體模型,如圖1所示。然后將風(fēng)扇離合器三維模型導(dǎo)入到ANSYS當(dāng)中建立出有限元模型,如圖2所示。

    圖1 風(fēng)扇離合器三維模型圖

    圖2 風(fēng)扇離合器有限元模型

2.2 網(wǎng)格劃分

連接法蘭和離合器均采用實體單元模擬。密度7.6E+03kg/m3,彈性模量E=205GPa,泊松比u=0.28。風(fēng)扇離合器有限元模型共產(chǎn)生142140個節(jié)點,實體單元646471個。

2.3 約束施加

風(fēng)扇離合器是通過螺栓來和發(fā)動機上的減振器固定,由于螺栓使法蘭緊固在減振器上,所以本次有限元計算模型中的約束加載在連接法蘭8個孔的圓柱表面。這樣使得這8個圓柱面不能相對減振器產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)角。

2.4 計算結(jié)果

風(fēng)扇離合器屬于旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu),在無重力場影響下,計算所得其在Z方向和Y方向上的模態(tài)頻率分別為142Hz和144Hz,相差1.5%。認(rèn)為模態(tài)頻率結(jié)果相同。如圖3、圖4所示。

    圖3 風(fēng)扇離合器Y方向計算結(jié)果

    圖4 風(fēng)扇離合器Z方向計算結(jié)果

3 實際模型的理論分析

3.1 預(yù)應(yīng)力對旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)零部件的影響

風(fēng)扇離合器屬于旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu),理論上在排除重力場影響后,其在Z方向和Y方向上的約束條件是相同的。勢必在XOY平面和XOZ平面內(nèi)的一階彎曲模態(tài)模態(tài)頻率相同。

風(fēng)扇離合器在實際安裝狀態(tài)下受重力場的影響,會產(chǎn)生應(yīng)力鋼化效應(yīng)。因為重力場作用在Z軸負(fù)方向上,在XOZ平面內(nèi)的一階彎曲模態(tài)振型正好與重力場作用方向相耦合,而在XOY平面內(nèi)另一階彎曲模態(tài)振型與重力場作用方向正交,非耦合。應(yīng)力鋼化效應(yīng)在于預(yù)應(yīng)力和模態(tài)主振型的關(guān)系,若是影響到振型的變化,則頻率會相差較大。而重力場恰恰造成了風(fēng)扇離合器在安裝位置產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力。

重力場在風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)上造成的預(yù)應(yīng)力的可以抑制風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)在重力方向上的撓度,增加了風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)在重力場方向的剛度,使得風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)在重力方向模態(tài)頻率提高。

3.2 重力場對旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)零部件邊界條件的影響

由于離合器風(fēng)扇結(jié)構(gòu)在柴油機上為高速旋轉(zhuǎn)的零部件,是通過法蘭等零部件與曲軸相連,而曲軸與主軸承之間總有一定的間隙,受重力場的影響,曲軸將沿重力場方向略微下沉,使得曲軸和主軸下瓦間隙減小,使得離合器風(fēng)扇結(jié)構(gòu)在Z方向和Y方向上的支撐方式、約束剛度上都有所改變。由于在Z方向(重力方向)上支撐剛度大,Y方向(柴油機橫擺方向)支撐剛度小。重力場對旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)零部件邊界條件的影響勢必導(dǎo)致在XOZ平面內(nèi)一階彎曲模態(tài)頻率與XOY平面內(nèi)一階彎曲模態(tài)頻率有所差異。

4 實際模型的模態(tài)試驗驗證

4.1 模態(tài)試驗測試系統(tǒng)

整個模態(tài)試驗測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),它包括振動加速度傳感器、力錘、比利時LMS公司的SCADAS采集前端和Test.Lab分析軟件。

4.2 支撐方式的選擇

將離合器按照實際工作狀態(tài)安裝在柴油機上,盡可能逼近于風(fēng)扇離合器正常工作狀態(tài)時的約束環(huán)境。本次試驗的邊界條件采用風(fēng)扇離合器工作狀態(tài)下的原裝支撐,進行約束模態(tài)試驗。

4.3 激振方法

根據(jù)風(fēng)扇離合器和中間法蘭的結(jié)構(gòu)特點,并充分考慮傳感器的安裝位置以及其所測得的數(shù)據(jù)能全面反映試件的振動特性等因素,對風(fēng)扇離合器和中間法蘭的結(jié)構(gòu)進行簡化建模。為了建模的方便,用四邊形模擬法蘭和離合器外圓形狀,共計8個測點,24個響應(yīng)信號。模態(tài)測點布置如圖5所示。

    圖5 模態(tài)測點布置圖