基于实际应用工况的燃油滤清器与空调支撑的强度优化_隽杰_.pdf

54 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算0 前 言现用某 10L 柴油机进行推土机行业的配套，根据推土机的布置需求，需将燃油滤清器与空调进行高置，因此新设计燃油滤清器与空调支撑。新设计的支撑经有限元计算校核出现模态、强度不通过问题。为此，本文在参考文献1-2基础上，对现有方案进行优化，并重新利用商业软件HyperMesh和Abaqus计算校核，并进行模态、静强度、面压、滑移等的计算。同时，并结合推土机路谱分析评估其使用工况，判断该支撑能否满足推土机用发动机使用要求。1 现有方案现用支撑方案如图 1 所示。前支撑通过右下方 4 个螺栓孔支撑在机体上。左上方 4 个螺栓孔支撑空压机，右上方2 个螺栓孔支撑燃油滤清器。2 优化方案优化后方案如下：在现用支撑方案基础上，在前端增加辅助支撑。基于实际应用工况的燃油滤清器与空调支撑的强度优化Strength Optimization of Fuel Filter and Air Conditioning Support Based on Actual Application Conditions隽杰 李文全 贾承涛 齐一凡 郭诚诚（内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）摘要：通过利用商业软件 HyperMesh 和 Abaqus，本文对某推土机用 10L 柴油机燃油滤清器与空调支撑进行强度优化，主要计算了燃油滤清器与空调支撑的受约束模态、静强度、滑移以及高周疲劳安全系数，并结合推土机路谱分析评估其使用工况，计算结果表明：上述各指标满足设计推土机用发动机使用要求。关键词：支撑；有限元；模态；强度；滑移；高周疲劳安全系数；路谱分析；工况中图分类号：U472 文献标识码：A图 1 现用方案图 2 优化方案图 3 有限元模型3 有限元模型3.1 有限元模型为了缩短计算时间，本文将装配模型简化，然后导入HyperMesh 进行网格划分。一体式支架采用二阶四面体C3D10I 单元，考察件平均网格大小 3mm，非考察件平均网格大小 5mm。DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0282023.01建设机械技术与管理 55设计计算3.2 零部件材料及输入参数设置见表 1、表 2、表 3。4 求 解将网格导入 Abaqus，利用 Abaqus 对系统进行强度和模态分析求解，并将计算结果进行处理。5 计算工况及计算结果5.1 模态计算工况及计算结果首先分析约束模态，前三阶模态数值如下：56.4Hz（燃油滤清器左右摆动，局部模态）、119.2Hz（支撑系统左右摆动）、149.7Hz（支撑系统前后摆动）。从计算结果可以看出，整体系统的一阶模态频率数值为 56.4Hz，为燃油滤清器的局部模态，其低于推土机发动机（六缸机）最高空车转速 2090rpm 所对应点火激励频率的 1.2 倍，即 125.4Hz，模态不满足设计要求。但系统第一阶模态主要为燃油滤清器的局部振动，且对应的转速约为 1100rpm。结合对该 10L 发动机对应的推土机工作路谱分析（图4），该转速段不在推土机用发动机的常用转速区间，共振风险较小。零部件质量/kg空调压缩机7.7燃油滤清器（满油）4.8表 3 各部件质量属性列表图 4 推土机路谱（a）一阶 （b）二阶 （c）三阶图 5 前三阶振型冲击方向最大主应力值/MPaFront69.8Back54.3Left71.5Right57.9Up63.4Down89.7表 4 燃油滤清器与空调支撑在各向冲击下的应力值零件名称材料杨氏模量/MPa泊松比密度/kg/m3抗拉强度/MPa屈服强度/MPa支撑、机体、气缸盖HT450 138000 0.1567280250-进气管盖板Q235A 212000 0.2887860390235连接螺栓45#209000 0.2697890600355表 1 各部件材料列表表 2 螺栓连接参数表连接位置螺栓规格螺栓拧紧力矩Nm螺栓预紧力支架与机体M10 10.9 级64813200040500进气管盖板与气缸盖M8 10.9 级32412000025625整体系统第二阶模态高于其常用转速 1900rp 所对应的点火激励频率，即 95Hz，共振风险亦较小，建议进行市场验证后应用。振型如图 5：5.2 静强度分析集成支架与发动机机体之间通过螺栓连接，施加最大螺栓预紧力，对集成支架进行应力计算，计算结果：表 4 为燃油滤清器与空调支撑在各向冲击下的应力值：从计算结果可以看出，各向冲击下，集成支架所产生的最大主应力值为 89.7MPa，低于所应用材料 HT250 的抗拉极限 250MPa，静强度满足设计要求。56 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算5.3 面压及滑移量计算工况及计算结果集成支架与机体接触面间螺栓压紧区域均匀、连续、无间断，面压满足设计要求。摘录Front方向面压分部如图7：Down 方向所受应力最大，重点分析 Down 方向滑移分布。燃油滤清器与空调支撑螺栓孔周围最大滑移量0.93mm，低于限值 0.1mm，滑移量满足设计要求。摘录 Down 方向面压分部如图 8：5.4 滑移量计算工况及计算结果施加最大螺栓预紧力，对集成支架进行高周疲劳计算，计算结果如表图 9 所示。燃油滤清器与空调支撑的高周疲劳安全系数最小值为0.715，出现在螺孔周围区域（为非考察区域），其余区域高周疲劳安全系数均高于 1.1 的限值要求，高周疲劳满足设计要求。6 结 论通过利用商业软件 HyperMesh 和 Abaqus，本文对推土机用某 10L 柴油机燃油滤清器及空调用支撑进行强度优化，主要计算了燃油滤清器及空调用支撑的受约束模态、静图 6 Down 方向冲击工况下应力分布云图图 7 Front 方向面压分布云图图 8 Down 方向面压分布云图强度、滑移以及高周疲劳安全系数，同时根据推土机用发动机路谱分析其使用工况，计算结果表明：上述各指标满足推土机用发动机的设计要求。参考文献1 查太东，杨萍.基于 Ansys Workbench 的固定支架优化设计 J.煤矿机械,2012,33(2):28-30.2 周娟利，崔淑英.基于 ABAQUS 的液压支架立柱有限元静力学分析 J.煤矿机械,2010,31(8):122-124.收稿日期：2022-09-01作者简介：隽杰，硕士，工程师，主要研究方向为应用配套产品技术开发。图 9 高周疲劳安全系数分布云图