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        某發(fā)動(dòng)機(jī)中冷管支架故障分析及優(yōu)化

        2022-11-02 08:53:32李艷君朱冬月霍小臭高新貝
        汽車實(shí)用技術(shù) 2022年20期
        關(guān)鍵詞:云圖管路支架

        李艷君,袁 帥,朱冬月,霍小臭,高新貝

        (濰柴動(dòng)力股份有限公司 國(guó)際應(yīng)用工程中心,山東 濰坊 261000)

        柴油機(jī)中冷系統(tǒng)的主要作用是降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度,提高進(jìn)氣密度,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率,降低燃油消耗。其組成部件包括空氣濾清器、增壓器和中冷器以及部分管路。

        目前市場(chǎng)上常見的中冷器形式有風(fēng)冷式和水冷式。水冷式中冷系統(tǒng)是利用水循環(huán)帶走中冷器中氣體的部分熱量,冷卻效率高,但由于組成部件較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故制造成本高。風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則較為簡(jiǎn)單,組成部件少,但需要較長(zhǎng)的連接管路,空氣阻力較大,為保證連接管路的可靠性,對(duì)管路支撐結(jié)構(gòu)及管路本身的強(qiáng)度,抗變形能力要求較高。

        本文采用有限元方法,基于Hypermesh、Fluent和Abaqus等有限元分析軟件,對(duì)中冷管上翹問題進(jìn)行分析和優(yōu)化改進(jìn),解決了中冷管變形問題,提高了中冷系統(tǒng)可靠性。

        1 故障問題

        我司配套的某型號(hào)發(fā)電設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī),在使用過(guò)程中出現(xiàn)中冷管上翹,固定中冷管的支架發(fā)生塑性變形的市場(chǎng)故障。經(jīng)初步分析,判定為中冷管會(huì)受到一個(gè)較大的沖擊力,且左端為膠管連接,容易產(chǎn)生較大的位移。固定中冷管的支架剛度不夠,在中冷管受到較大沖擊力時(shí),支架產(chǎn)生塑性變形。

        本文對(duì)該中冷管系統(tǒng)進(jìn)行流體、變形量及強(qiáng)度分析,通過(guò)增加板材的厚度及更改支架的結(jié)構(gòu),提高整個(gè)系統(tǒng)的剛度,通過(guò)對(duì)比前后兩個(gè)方案支架的變形量及支架的強(qiáng)度,確定優(yōu)化后的方案較原方案有很大的改善。優(yōu)化后的支架目前已投入使用,且至今未出現(xiàn)過(guò)類似故障。

        2 故障分析及結(jié)論

        2.1 中冷管系統(tǒng)建模

        對(duì)中冷管系統(tǒng)進(jìn)行模型的前處理,三維模型如圖1所示,計(jì)算中用到的各部件材料屬性如表1所示。

        圖1 中冷管系統(tǒng)模型

        表1 各部件材料屬性

        對(duì)中冷管、中冷管支架等進(jìn)行前期的網(wǎng)格劃分,中冷管采用二階殼單元,中冷管支架采用二階四面體單元,整個(gè)系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。

        圖2 有限元模型

        2.2 沖擊力分析

        中冷管彎管拐角處受到的氣流沖擊力通過(guò)流體仿真軟件Fluent計(jì)算獲得。為準(zhǔn)確求解管路流場(chǎng),設(shè)管道入口為質(zhì)量流量進(jìn)口,管道設(shè)置為壁面,管道出口設(shè)置為壓力出口,管路壓力分布云圖如圖3所示。

        圖3 管路壓力分布云圖

        2.3 接觸及邊界條件

        整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行變形量計(jì)算時(shí),各部件之間采用TIE連接,其接觸定義如圖4所示。仿真計(jì)算時(shí),限制機(jī)冷蓋與機(jī)體連接的螺栓孔的六向自由度,計(jì)算邊界如圖5所示。

        圖4 接觸定義

        圖5 邊界條件定義

        2.4 變形量計(jì)算結(jié)果分析

        對(duì)該中冷管支架進(jìn)行變形量計(jì)算分析,變形量云圖如圖6所示。

        圖6 變形量云圖

        該中冷管支架最大變形量是0.751 2 mm,根據(jù)變形量云圖改進(jìn)結(jié)構(gòu),對(duì)原支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

        3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)論

        3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        根據(jù)中冷管支架變形量云圖,對(duì)該支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,固定支架螺栓由兩顆增加到三顆,同時(shí)增加支架的板厚及結(jié)構(gòu),以提高支架的整體剛度。優(yōu)化后中冷管支架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

        圖7 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

        3.2 優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

        對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行變形量計(jì)算分析和靜強(qiáng)度計(jì)算分析。

        從計(jì)算結(jié)果可以看出,優(yōu)化后的支架變形量明顯變小,說(shuō)明優(yōu)化后的支架剛度有較大的提高。優(yōu)化后支架最大變形量為0.202 4 mm,變形量云圖如圖8所示。

        圖8 優(yōu)化后變形量云圖

        優(yōu)化后的中冷管支架,在六向沖擊下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力為89 MPa,低于材料Q235的屈服強(qiáng)度限值235 MPa,支架靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,計(jì)算結(jié)果如表2所示,最大Mises應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

        表2 優(yōu)化支架在各向沖擊下應(yīng)力分布云圖

        圖9 優(yōu)化后最大Mises應(yīng)力分布云圖

        4 結(jié)論

        本文利用Hypermesh、Fluent和 Abaqus對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)中冷管系統(tǒng)進(jìn)行前期處理、流體仿真和結(jié)構(gòu)仿真,分析了故障的主要原因是中冷管系統(tǒng)剛度較低,在中冷后沖擊力作用下,中冷管支架變形量較大,出現(xiàn)塑性變形。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的支架重新計(jì)算變形量及強(qiáng)度,變形量較原方案減少,且靜強(qiáng)度滿足要求。將優(yōu)化后的支架已重新投入市場(chǎng)驗(yàn)證,市場(chǎng)反饋未再出現(xiàn)類似故障。

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