基于CATIA的护套隔热罩结构动力学分析与结构优化

发表时间:2018-05-11 作者: 赵俊男*张颖  来源: 互联网
关键字:护套隔热罩 模态 频域 开裂 
针对某内燃机护套隔热罩在整车道路试验中出现开裂问题,运用CATIA软件的CAD和CAE功能,建立有限元模型,并对其进行模态分析,确定开裂的主要根源,对开裂区域实施加大过度圆角半径的改进,提高固有频率,通过频域响应分析验证,满足设计目标。

  1 概述
 

  随着现代工业的飞速发展,内燃机的广泛发展不仅增加了整车的动力性,而且也加剧整车的热负荷,使周围热敏零件的工作环境更加恶劣。然而,隔热罩作为内燃机排气热端的重要零件,主要用于隔离发动机排气系统高温,确保周围的热敏零件在适宜的温度环境下正常工作,防止塑料或橡胶材料的零件迅速老化或被引燃。但是,由于隔热罩自身的薄板结构特点,刚度不足,隔热罩受到发动机本体振动激励,长时间的振动疲劳后,会使隔热罩破裂,丧失隔热作用。因此在设计过程中,应当注重降低零件的振动失效出现的概率,同时随着发动机排温和爆发压力的提高,对隔热罩的可靠性也随之提出更高要求。
 

  本文以某企业新开发的内燃机为契机,对整车道路耐久试验过程中出现半轴护套隔热罩(以下简称隔热罩)开裂,导致半轴护套迅速老化问题(如图1)进行分析研究,建立隔热罩有限元模型,对模型进行模态分析,重点研究隔热罩的固有频率和主振型,在此基础上进行在内燃机本体振动激励下的瞬态响应分析,研究隔热罩在不同频率下的位移和应力响应,分析隔热罩开裂的根源,通过结构更改设计避开各种振源的激励频率,进而增强结构刚度,提升产品可靠性。
 

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  图1 隔热罩开裂现场照片
 

  Catia软件具有强大的CAD曲面造型功能和CAE分析功能,通过Catia 软件进行建模和有限元模态分析,可避免利用其它软件分析时所需要的数据转换带来的麻烦和转化过程中造成的数据丢失问题,提高计算分析精度。
 

  2 结构建模
 

  结构建模在有限元计算过程中至关重要,主要的步骤可分为三项:建立几何模型;网格划分和材料定义;载荷和边界条件定义。
 

  2.1 建立几何模型
 

  本文根据空间布置要求,通过CATIA软件建立护套隔热罩几何模型,该模型由两片空间不规则的曲面组成,采用3个固定点,分别与增压器支架和催化器支架螺栓安装连接,两种支架由实体数模组成,为了使计算结果更加准确,隔热罩与两种支架装配在一起进行分析(如图2)。
 

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  图2 隔热罩与支架装配件
 

  2.2 网格划分和材料定义
 

  本文运用CATIA 软件中Advanced Meshing Tools 功能对所需要进行分析的隔热罩和支架进行网格划分。隔热罩采用四边形壳单元,两种支架采用六面体实体单元,网格节点数23350,单元格数69376,如图3所示。
 

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  图3 网格模型
 

  隔热罩采用双层厚度为0.5mm的铝板结构, 内外板由冲压翻边形式连接的,材料密度为2.7E-09t/mm³,弹性模量为70000Mpa,泊松比为:0.33;两种支架选用钢板Q235,材料密度为7.85E-09t/mm³,弹性模量为210000Mpa,泊松比为:0.3。
 

  2.3 载荷和边界条件定义
 

  本文结合隔热罩和两种支架的实际安装情况,隔热罩与支架之间在紧固位置采用螺栓固定连接,两种支架的安装位置简化采用固定约束,隔热罩内外板按照翻边的位置直接进行刚性约束,为了减少求解技术难度系数,暂不考虑铝板之间的碰磨。在此基础之上,将隔热罩和两种支架进行频域响应分析,由于主要受到发动机往复运动引起的二阶惯性力,对装配合件模型输入15G 的激励,激励的频率范围为0Hz-250Hz,采用白噪声限值调制。
 

  3 理论基础
 

  结构动力学的通用方程表示如下:
 

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  这个方程的求解形式取决于不同的分析类型。如果是做谐响应分析,则F(t)和x(t)都是谐函数。如果是做模态分析,设F(t)值为零,可以忽略结构阻尼矩阵C,由此可以得出以下公式:
 

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  那么瞬间动态分析方程就可以直接用上面的公式(1)表示。
 

  在本文中,主要研究使用了模态分析和频域响应分析两种办法。模态分析属于研究结构动力特性的近代方法,用来研究结构固有的振动特性,比如固有频率以及各阶振型,同时也是其它动力学研究的前提。频域响应分析研究内容是给指定的研究机构输入激励载荷,然后分析机构在此情况下具有的稳态响应特性,确定结构在几种频率作用条件下相应的参数响应曲线。
 

  4 动力学分析
 

  4.1 模态分析
 

  通过Catia 软件对上述模型进行模态分析,运用兰索斯法分析计算后得到的前4 阶固有频率和相应的振型结果如表1,在这里只计算隔热罩的前4阶固有频率,因为低阶次共振时的能量级比较大。
 

  表1 前4阶固有频率和相应的振型结果
 

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  经过后处理提取相应的应力云图(如图4)所示:
 

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  图4 前4阶振型的应力云图
 

  从上述模态分析的结果来看,该隔热罩的前二阶固有频率都低于设计目标250Hz,此时隔热罩在内燃机的运行过程中极易引发共振而功能失效。
 

  4.2 结构改进设计
 

  通过具体分析一阶和二阶的振型,可以发现隔热罩的开裂区域与其应力云图中应力峰值区域相吻合,这就是导致隔热罩开裂的根源。因此,需要对应力峰值区域进行结构改进,目前比较合理的方法是加大过度圆角半径,使其表面圆滑过渡,减少应力集中,提高整个零件的刚度。
 

  对优化后的模型先计算模态分析,模型优化前后的前四阶固有模态对比结果如表2所示。
 

  表2 前四阶固有模态对比结果
 

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  从上述模态分析结构来看,优化后隔热罩的前二阶固有频率分别增长了18.05%和11.62%,都高于设计目标250Hz,避开内燃机的激励频率。
 

  优化后前四阶振型应力云图(如图5)所示。
 

  再将优化后的模型进行频域响应分析验证,得出在不同频率下相对应的应力峰值曲线如图6 所示。由图7 可知,每个应力峰值都远远小于护套隔热罩的抗拉应力131Mpa,分析说明优化后的隔热罩的结构在强度方面有明显的提高。从工程应用方面考虑,按照优化后的数模,重新制作样件,该样件通过整车七万公里道路试验验证。本文的研究结果已获得项目组认可,供应商已开模进行量产,内燃机已上市。
 

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  5 结论
 

  本文针对某内燃机护套隔热罩在整车道路试验中出现的开裂问题,运用CATIA 软件的CAD 和CAE 功能,建立在装配状态下隔热罩有限元模型,对其模型进行模态分析,该隔热罩的前二阶固有频率都低于设计目标250Hz,确定隔热罩开裂的根源主要是在内燃机的运行过程中引发共振造成的。因此,对应力峰值区域采用加大过度圆角半径的方法,减少应力集中,优化后隔热罩的前二阶固有频率分别增长了18.05%和11.62%,都高于设计目标250Hz,再通过进行频域响应分析验证,结构表明在结构强度方面有显著的提高。从工程应用方面考虑,本文的研究结果已获得项目组认可,供应商已开模进行量产,内燃机已上市。

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