油底壳有限元分析及优化设计.pdf

v设计
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油底売有限元分析及优化设计
□文/康元春(湖北汽车工业学院)
文利用 H yper W orks软件对发动机油底壳进行有限元束。采用 Lanczos算法进行了有限元模态分析,得到油底壳
分析,发现汕底壳与发动机有一个共振区。为了提高前10阶固有频率见表1,振型见图2。
它的固有频率,通过加厚和形貌优化对油底壳进行了
表1约束油底壳法兰的前10阶固有频率
改进。
阶数
频率Hz
阶数
频率Hz
油底壳是由薄板制造而成,度小,面积大,很容易
1.07×10
1.98x102
与跟它相连的发动机体发生共振,辐射较大的噪声。研究
.32×0
2.20x102
表明,油底壳作为发动机表面辐射噪声的主要来源,其辐
1.626×1032
2.33x102
射噪声占发动机噪声的15%~22%。因此,若能避开油底壳
4
1.58×10
9
2.63x102
与发动机共振,对降低油底壳甚至整个发动机的噪声是非
1.67x102
10
常有利的
1模态分析
1.1建立有限元模型
用PRO/软件对油底売进行几何模型,并利用Hy
Works与PRO/E之间的接口,将油底壳的几何模型导入
Hypermesh中。在 H ypermesh中对产生振动较小的一些螺
栓孔可以进行简化及几何清理。然后抽取中面,进行网格
划分。本次计算中整个有限元网格单元数为7595节点数为
阶
7585个。得到有限元模型见图1
3阶
图1油底売有限元模型
1.2模态分析结果
有限元计算中取E=2.1 el lpa,泊松比u=0.3,密度
=7850kg/m3。油底売实际工作过程中,法兰和机体下表
面通过螺栓连接在一起。因此对油底売法兰部分完全约
5阶
6阶
《重型汽车》 HEAVY TRUCK2010.1
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矽设计
优化目标。加筋后油底売前十阶模态频率见表2。
表2油底壳加厚及加筋前后的比较
し原1.07×10232xt2「1.53×101.58x10「1.67x10
率し加バ1.59×1F1.91x1F2.23~1?2.35~1?2.9~10
1z「加筋」12x101.98×4012.19~Io24×10212,55~10
18
7阶
8阶
率变化(9
19
7
频し原模型」1.981F12.20~1012.331G?2,63×1o-2.86x10
率「加厚12.88×10213.19x10213.43x10213.76x10213.86x103
H2「加筋13.26×1213.70x10213.99×11°4.34x1014.62×10
45
率变化(")
47
70
6 L
9阶
10阶
图2油底壳前10阶模态振型图
80
从油底壳前10阶模态阵型图可以看出,油底壳主要振
动模态为局部振动,其中底板和两側板上振动幅度较大,
低频范振动主要是由这三处构成,因此这三处是较容易
被激起共振的区域。
态阶数
此发动机是L型六缸四冲程水冷汽油机,发动机的息速
图3油底壳前10阶频率对比
激振频率取决于发动机的怠速运转及气缸数,计算公式为
从原结构、加厚与加筋前十阶固有频率对比来看,加
FI=2in/60 T
厚与加筋前十阶每阶固有频率比原模型的对应固有频率
式中FI-一燃烧激振频率;
大,其主要原因就是在原模型上增加了厚度和加强筋,提
冲程(对于二冲程τ=2,对于四冲程r=4);
高了零部件的刚度。采用这两种方法进行改进后,由理论
i一缸数(6);
可知,频率提高,刚度增大,比起原结构有显著改善,有
n发动机转速。
因为对于该发动机,通常怠速转速η=850r/min,
利于降低发动机的整机噪声和振动。但加厚前后钢板与底
=6,T=4,所以怠速激振频率为42.5Hz。在汽车以正常部钢板,油底壳重量增加了50%。加筋后油底壳的重量降低
了0.53%,而且筋板形状比较规则,优化后云图如图4所
车速行驶时,相应的发动机爆发频率可达100H2以上。因
此,此发动机油底壳与发动机之间有一个共振区域
示。考虑加工工艺性的要求,可以在CAD中进行重新建
模。因此,使用形貌优化加筋不仪解决了共振问题,也起
2油底売优化设计
到了轻量化的
要提高油底売刚度,减少油底壳振动,可以考虑适当增作用,是较好
加前后板和底板板厚,使其固有频率増加。表2中列出了增的方案。
加前后板和地板厚度0.5mm后油底売的前十阶固有频率。
结论
增加油底壳钢板厚度,同时也大大增加了油底壳的重
量。考虑到轻量化问题,可以在振动较大的部位添加加强
使用两种
筋,也可以达到减小振动的效果。形貌优化是在板形结构
方式对油底売
图4纵向加筋优化云图
中寻找最优的筋分布的概念设计方法,因此本文采用形貌改进后,油底
优化的方法给油底壳加筋
壳固有频率有很大提高,都可以避开它与发动机共振的区
加筋方式为 Planar(沿指定方向纵向加筋),最大筋高域,为低噪声发动机的设计打下了基础。使用加筋的方
7mm、拔模角60°、最小筋宽15m。另外由于一阶振型比加厚铜板重量油底壳重量轻,且可以形成易于加工的规
主要由与曲轴箱连接的法兰造成的,一阶固有频率的优化则筋板,其方案较好。
空间非常小,因此,在优化过程中把一阶频率最大定义为
参考文献略。
2010.1 HEAVY TRUCK《重型汽车》9