基于CAE的重力场对旋转对称结构零部件振动可靠性的影响

1 前言

柴油机上有诸多对称结构的旋转零部件,其中包括有对称风扇、皮带轮、减振器和风扇离合器等。这些对称结构在系统微分方程求解时至少会出现一个特征值对应两个特征向量的情况,也就是同一个模态频率下对应两种模态振型的情况。但对于实际的风扇离合器结构,重力场可能导致两个正交方向上的模态频率有所差异,本文旨在探讨旋转对称结构的风扇离合器在重力场影响下的模态频率差异,以及这种差异对柴油机整机可靠性的影响。

2 有限元模型的计算

2.1 有限元模型的建立

风扇离合器结构包括中间法兰、风扇离合器组成。在CATIA软件建立了风扇离合器的三维实体模型,如图1所示。然后将风扇离合器三维模型导入到ANSYS当中建立出有限元模型,如图2所示。

    图1 风扇离合器三维模型图

    图2 风扇离合器有限元模型

2.2 网格划分

连接法兰和离合器均采用实体单元模拟。密度7.6E+03kg/m3,弹性模量E=205GPa,泊松比u=0.28。风扇离合器有限元模型共产生142140个节点,实体单元646471个。

2.3 约束施加

风扇离合器是通过螺栓来和发动机上的减振器固定,由于螺栓使法兰紧固在减振器上,所以本次有限元计算模型中的约束加载在连接法兰8个孔的圆柱表面。这样使得这8个圆柱面不能相对减振器产生位移和转角。

2.4 计算结果

风扇离合器属于旋转对称结构,在无重力场影响下,计算所得其在Z方向和Y方向上的模态频率分别为142Hz和144Hz,相差1.5%。认为模态频率结果相同。如图3、图4所示。

    图3 风扇离合器Y方向计算结果

    图4 风扇离合器Z方向计算结果

3 实际模型的理论分析

3.1 预应力对旋转对称结构零部件的影响

风扇离合器属于旋转对称结构,理论上在排除重力场影响后,其在Z方向和Y方向上的约束条件是相同的。势必在XOY平面和XOZ平面内的一阶弯曲模态模态频率相同。

风扇离合器在实际安装状态下受重力场的影响,会产生应力钢化效应。因为重力场作用在Z轴负方向上,在XOZ平面内的一阶弯曲模态振型正好与重力场作用方向相耦合,而在XOY平面内另一阶弯曲模态振型与重力场作用方向正交,非耦合。应力钢化效应在于预应力和模态主振型的关系,若是影响到振型的变化,则频率会相差较大。而重力场恰恰造成了风扇离合器在安装位置产生了预应力。

重力场在风扇离合器结构上造成的预应力的可以抑制风扇离合器结构在重力方向上的挠度,增加了风扇离合器结构在重力场方向的刚度,使得风扇离合器结构在重力方向模态频率提高。

3.2 重力场对旋转对称结构零部件边界条件的影响

由于离合器风扇结构在柴油机上为高速旋转的零部件,是通过法兰等零部件与曲轴相连,而曲轴与主轴承之间总有一定的间隙,受重力场的影响,曲轴将沿重力场方向略微下沉,使得曲轴和主轴下瓦间隙减小,使得离合器风扇结构在Z方向和Y方向上的支撑方式、约束刚度上都有所改变。由于在Z方向(重力方向)上支撑刚度大,Y方向(柴油机横摆方向)支撑刚度小。重力场对旋转对称结构零部件边界条件的影响势必导致在XOZ平面内一阶弯曲模态频率与XOY平面内一阶弯曲模态频率有所差异。

4 实际模型的模态试验验证

4.1 模态试验测试系统

整个模态试验测试系统的组成结构,它包括振动加速度传感器、力锤、比利时LMS公司的SCADAS采集前端和Test.Lab分析软件。

4.2 支撑方式的选择

将离合器按照实际工作状态安装在柴油机上,尽可能逼近于风扇离合器正常工作状态时的约束环境。本次试验的边界条件采用风扇离合器工作状态下的原装支撑,进行约束模态试验。

4.3 激振方法

根据风扇离合器和中间法兰的结构特点,并充分考虑传感器的安装位置以及其所测得的数据能全面反映试件的振动特性等因素,对风扇离合器和中间法兰的结构进行简化建模。为了建模的方便,用四边形模拟法兰和离合器外圆形状,共计8个测点,24个响应信号。模态测点布置如图5所示。

    图5 模态测点布置图