Abaqus在油底壳结构分析中的应用—Abaqus

ABAQUS 在在油底壳油底壳结构结构分析分析中的应用中的应用 陈馨 王成 周君 奇瑞汽车股份有限公司 发动机工程研究院 CAE 部 241009 摘要摘要 利用 ABAQUS 强大的非线性接触计算功能和 OptiStruct 的优化模块对油底壳在设计初 期进行有限元分析和优化 优化后的油底壳满足基本模态和静强度要求 同时重量减轻了 7 71 关键词关键词 油底壳 ABAQUS 减重 结构分析 1 前言前言 随着用户对动力总成 NVH 问题的日益关注 油底壳作为发动机辐射噪声的一个重要 噪声源 其结构设计受到越来越多的重视 由于发动机布置的原因 除了原本的功能外 有 的油底壳还要承担部分相连部件的重量 因此其连接处的强度也是需要重点关注的问题之 一 对这类油底壳 设计人员希望在设计初期能对其振动特性和强度进行有效预测 本文采 用有限元计算方法 利用 Abaqus 软件 对某款发动机的油底壳进行了模态及强度分析 并 根据分析结果对油底壳结构进行了优化 2 2 有限元分析有限元分析 2 2 1 1 建立有限元模型建立有限元模型 本油底壳的结构比较特殊 侧面布置了两个凸台 用来安装空压机支架 支架的另一 端安装在缸体上 这样 油底壳除了常见功用外 还必须提供足够的支撑防止空压机在工作 过程中振动过大 因此油底壳不仅要有足够的刚度和强度 还须具备良好的动态性能 分析模型包括 油底壳 空压机 正时罩盖 框架 缸体和框架 上述部件均采用二 阶四面体单元 将油底壳与空压机 正时罩盖 框架相连 缸体 框架端面全约束 油底壳 与变速箱连接法兰面约束 x 向 缸体切取与支架相连的部分模型 有限元模型如下图 1 所示 图 1 有限元模型 模态计算采用的是约束模态 约束如前所述 强度计算主要是考虑空压机对油底壳的影 正时罩盖 缸体 空压机 框架 油底壳 响 包括空压机带轮受力 支架与油底壳间的螺栓预紧力 以及空压机在发动机各工况下的 振动 其中 空压机带轮受力通过动力学计算得到 2 2 2 2 分析结果分析结果 通过模态计算 得到系统前5阶模态振型 其中前2阶主要为空压机振型 第3阶开始出 现油底壳振型 计算结果如表1和图2所示 最高转速6000rpm 的发动机的基频是100Hz 该 发动机为4 缸4 冲程直列发动机 所以发动机振动的频率主要集中在2 4 6 谐次 空压 机一阶模态频率为458Hz 油底壳一阶模态频率为962Hz 分别高于该发动机2阶和4阶激振频 率 因此满足基本模态要求 表 1 油底壳及其附件前五阶模态频率值 阶次 频率 Hz 主要振型 1 458 主要为空压机振型 2 591 主要为空压机振型 3 962 油底壳 XOY 平面内弯曲振型 4 1044 油底壳及空压机局部振型 5 1130 油底壳及空压机局部振型 图 2 油底壳及其附件前 3 阶模态振型 应力分析结果如表 2 和图 3 所示 各工况下应力主要集中于凸台处 但最大应力值均 小于材料的屈服点 因此满足基本静强度要求 表 2 油底壳在各工况下最大应力值 工况 应力 MPa 工况 应力 MPa 1 144 4 146 2 145 5 145 3 142 6 145 一阶 二阶 三阶 图 3 油底壳应力分布图 3 3 优化分析优化分析 3 13 1 结构减重优化结构减重优化 轻量化是汽车零部件设计的一个发展趋势 设计部门希望在保持油底壳原有性能的基 础上 对油底壳进行减重优化 因为油底壳整体结构已经确定 只能通过对加强筋部分结构 的调整来实现减重的目的 优化分析采用 OptiStruct 求解器 以油底壳加强筋的单元密度为 变量 前 5 阶模态频率为约束 质量最小化为目标 得到加强筋的拓扑结构 并以此为基础 对油底壳进行结构改进 改进后的油底壳重量减轻了 7 71 模型如下 图 4 减重后油底壳模型 3 23 2 优化结果分析优化结果分析 采用 ABAQUS 软件 将减重后的油底壳重新进行模态和强度分析 边界同上 模态分 析结果如表 3 和图 6 所示 空压机一阶模态频率为 453Hz 油底壳一阶模态频率为 937Hz 满足基本模态要求 应力分析结果如表 4 和图 6 所示 各工况下应力仍主要集中于凸台处 最大应力值虽然有所增加但均小于材料的屈服点 因此满足基本静强度要求 增加2根加强筋 原3根加强筋减为1根 增加4根侧向加强筋 去掉侧向加强筋 不重要部分加强筋减薄降低 重要部分保持或增高 空压机凸台向油底壳底部 移动1mm 工况3 工况5 工况2 表 3 减重前后油底壳及其附件前五阶模态频率值 阶次 频率 Hz 减重前 减重后 1 458 453 2 591 587 3 962 937 4 1044 993 5 1130 1118 图 5 减重后油底壳及其附件前 3 阶模态振型 表 4 减重前后油底壳及其附件前五阶模态频率值 工况 应力 MPa 减重前 减重后 1 144 150 2 145 150 3 142 148 4 147 153 5 145 150 6 145 151 图 6 减重后油底壳应力分布图 工况3 工况5 一阶 二阶 三阶 工况2 4 4 结论结论 1 利用 OptiStruct 优化模块对油底壳加强筋进行优化分析 优化后油底壳重量减轻 了 7 71 2 利用 ABAQUS 强大的非线性接触计算功能对优化前后的油底壳进行有限元分析 结果表明 油底壳满足基本的模态和静强度要求 3 将两种分析软件的优势功能相结合 为油底壳结构的设计和优化指明了方向 参考文献参考文献 1 孙业保 2001 车用内燃机 北京 北京理工大学出版社 2 汽车工程手册 编辑委员会 2001 汽车工程手册 设计篇 北京 人民交通出版社 3 庞剑 谌刚 何华