梅夏，黃建忠

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545000）

某型號發(fā)動機(jī)BSG電機(jī)支架失效分析

梅夏，黃建忠

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545000）

某發(fā)動機(jī)BSG電機(jī)支架在試驗(yàn)中發(fā)生斷裂，為分析其失效原因，基于Hymperworks軟件建立了有限元模型進(jìn)行仿真分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，找到支架薄弱位置，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后電機(jī)支架最大應(yīng)力得到明顯改善，達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。

電機(jī)支架；強(qiáng)度分析；最大應(yīng)力；優(yōu)化；Hyperworks

隨著排放及油耗法規(guī)越來越嚴(yán)苛，某型號發(fā)動機(jī)增加帶驅(qū)動起動電機(jī)（Belt Driven Starter Generator，簡稱BSG）以降低油耗。BSG電機(jī)通過支架與發(fā)動機(jī)缸體連接，電機(jī)支架承受BSG電機(jī)重力、皮帶壓力及發(fā)動機(jī)震動引起的慣性力。必須合理設(shè)計(jì)電機(jī)支架，以避免支架薄弱位置出現(xiàn)開裂甚至斷裂等失效。

本文基于Hyperworks軟件，對出現(xiàn)失效的BSG電機(jī)支架進(jìn)行仿真分析，并提出改進(jìn)方案，以滿足開發(fā)目標(biāo)。

1　失效描述及原因分析

某汽油發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中，BSG支架在臺架耐久試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂，如圖1所示。初步分析，由于布置空間需求，電機(jī)支架需額外安裝皮帶張緊輪。張緊輪安裝位置為懸臂形式，較為薄弱，可能因機(jī)械強(qiáng)度不夠，在耐久試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂。

圖1　BSG電機(jī)支架斷裂圖片

2　電機(jī)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1有限元模型

采用CAD軟件UG進(jìn)行了BSG電機(jī)支架及電機(jī)殼體的三維實(shí)體建模，導(dǎo)入Hypermesh建立模型。模型包含電機(jī)支架和BSG電機(jī)殼體，電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)用質(zhì)點(diǎn)代替，螺栓采用梁單元模擬，各部分之間通過剛性單元連接［1］。電機(jī)支架與電機(jī)殼體劃分Tetra10網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2　BSG電機(jī)組件有限元圖形

2.2材料參數(shù)

各部分材料參數(shù)如表1所示。

表1　材料參數(shù)表

2.3邊界條件

約束邊界條件：約束BSG電機(jī)支架與缸體連接的螺栓孔處的各方向自由度。

載荷邊界條件：施加電機(jī)皮帶輪及張緊輪處最大皮帶壓力，并額外對模型施加各方向20倍重力加速度的慣性加速度。

3　計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1原狀態(tài)模型計(jì)算結(jié)果

使用Radioss求解器對原狀態(tài)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到最大應(yīng)力為325.3 MPa，超過HT250灰口鑄鐵的強(qiáng)度極限250 MPa.應(yīng)力集中位置位于懸臂處，與試驗(yàn)時失效位置相同，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。計(jì)算結(jié)果見圖3.

圖3　原狀態(tài)應(yīng)力分布云圖

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對電機(jī)支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在支架薄弱位置增加一條強(qiáng)筋，并適當(dāng)增加原有加強(qiáng)筋厚度，以改善薄弱位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如圖4所示。

圖4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.3優(yōu)化后模型計(jì)算結(jié)果

對優(yōu)化后的BSG電機(jī)支架重新建模進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果為：最大應(yīng)力降低為132.1MPa，相對于原結(jié)構(gòu)有了明顯改善?？紤]建模及計(jì)算誤差，對結(jié)果乘以1.5倍的安全系數(shù)，為198.2 MPa，仍小于支架材料的強(qiáng)度極限250 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求［2］。結(jié)果如圖5所示。在后續(xù)的臺架耐久試驗(yàn)中也未再次出現(xiàn)斷裂。

圖5　優(yōu)化后應(yīng)力分布云圖

4　結(jié)束語

通過有限元分析結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果的方法，快速找出了某型號發(fā)動機(jī)BSG電機(jī)支架斷裂的原因。通過分析提出了有效的電機(jī)支架改進(jìn)方案，解決了支架斷裂問題，保證了開發(fā)節(jié)點(diǎn)。通過該例子說明了有限元分析在發(fā)動機(jī)開發(fā)的過程中的重要作用。通過有限元分析，在發(fā)動機(jī)開發(fā)初期即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷并及時改善，從而減少相關(guān)零件樣件的試制及試驗(yàn)次數(shù)，提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期［3］。

［1］王鈺棟，金磊，洪清泉，等.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］G.R.Liu，S.S.Quek.有限元法實(shí)用教程［M］.龍述堯，侯淑娟，錢長照，譯.長沙:湖南大學(xué)出版社，2004.

Failure Analysis of Engine BSG Motor Bracket

MEI Xia，HUANG Jian-zhong
（SAIC GM Wuling Automobil Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545000，China）

A engine's BSG motor bracket fractured in the test.To analysis the failure，finite element model was built based on Hymperworks software for simulation analysis.According to the calculation result，find the weak location and structure optimization.The optimized motor bracket dramatically improve the maximum stress，achieve the development goal.

motor bracket；stress analysis；maximum stress；optimization；hyperworks

TK412

A

1672-545X（2016）08-0088-02

2016-05-02

梅夏（1988-），男，湖北松滋人，助理工程師，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)強(qiáng)度分析。