機(jī)車柴油發(fā)電機(jī)組安裝架設(shè)計(jì)有限元分析

2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

采用有限元分析軟件ANSYS的優(yōu)化方法,對(duì)越南準(zhǔn)軌機(jī)車柴油發(fā)電機(jī)組安裝架的剛度進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算,確定了安裝架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)最終設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了剛度校核計(jì)算.

越南準(zhǔn)軌機(jī)車是我廠為越南設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的準(zhǔn)軌內(nèi)燃機(jī)車,柴油機(jī)—主發(fā)電機(jī)組通過一剛性整體安裝架安裝,再通過彈性支座安裝在主車架上。為保證柴油機(jī)—發(fā)電機(jī)組工作的可靠性和耐久性,安裝架必需有足夠的強(qiáng)度和剛度,但安裝架的高度和寬度等幾何尺寸受機(jī)車安裝空間的限制又不能太大,因此合理地選擇安裝架的結(jié)構(gòu)形式和支承位置尤為重要。為此,我們采用有限元分析軟件ANSYS,對(duì)安裝架進(jìn)行了分析和優(yōu)化,以確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)及支承方案,并對(duì)安裝架最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、靜剛度及模態(tài)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算.

2 安裝架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及計(jì)算模型的建立

圖1為安裝架原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。柴油發(fā)電機(jī)組采用整體隔振方式,該安裝架由側(cè)梁、前端梁、后端梁、十字形橫梁、柴油機(jī)橫梁、電機(jī)橫梁等部分組成,為保證其強(qiáng)度和剛度,各梁內(nèi)布置有強(qiáng)筋板。圖1中所示右手螺旋直角坐標(biāo)系,Y軸為安裝架垂向,向上為正;Z軸為安裝架縱向,柴油機(jī)端為正向,并定為安裝架前端,電機(jī)端為后端;X軸為安裝架橫向,隨后各圖的坐標(biāo)系規(guī)定與此同。

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圖2為安裝架原結(jié)構(gòu)的有限元模型,安裝架結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱,但柴油機(jī)工作過程中安裝架所受載荷不具對(duì)稱性,因此建立安裝架的整體三維有限元模型作計(jì)算分析。計(jì)算模型中用ANSYS軟件的She1163單元來模擬安裝架的鋼板結(jié)構(gòu),用Combinl4單元模擬橡膠支承的作用,用Mass21單元模擬柴油機(jī)、主發(fā)電機(jī)等部件,共有24338個(gè)She1163單元,4868個(gè)Solid45單元個(gè),12個(gè)Combinl4單元,2個(gè)Mass21單元,單元節(jié)點(diǎn)49882個(gè),安裝架結(jié)構(gòu)的有限元模型質(zhì)量為1321kg。有限元模型中采用的材料參數(shù)為:彈性模量E=210GPa,泊桑比V=0. 3,密度ρ=7850kg/mg。因柴油發(fā)電機(jī)組中柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)的剛度遠(yuǎn)大于安裝架自身的剛度,在有限元模型中將柴油機(jī)及其在安裝架上的安裝位置處理成一個(gè)剛性區(qū),將發(fā)電機(jī)及其在安裝架上的安裝位置處理成另一個(gè)剛性區(qū)。

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3 安裝架的計(jì)算載荷條件

    安裝架支承方式:四點(diǎn)支承;

    安裝架每個(gè)橡膠支承的剛度:Kxx=12.74KN/mm, Kyy=3.64KN/mm, Kzz12.74KN/mm;

    柴油機(jī)質(zhì)量:Mc=7092kg;

    電機(jī)質(zhì)量:Mc=5000kg:

    重力加速度:g=9.81m/s2:

    柴油機(jī)額定功率/轉(zhuǎn)速:150Okw/18DOrpm;

    柴油機(jī)繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Ixx=7000 kg-;Iyy=7000 kg-; Izz=1000 kg-;

    電機(jī)繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Ixx=844kg-;IYY=856kg-;Izz=834kg-;

4 計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)安裝架的設(shè)計(jì)要求,本次計(jì)算用安裝架上主發(fā)電機(jī)安裝座區(qū)、柴油機(jī)安裝座區(qū)間的最大垂向相對(duì)變形來考核安裝架的靜剛度,要求最大相對(duì)變形小于0.1mm:用計(jì)算得到的橡膠支承反力差值、橡膠支承垂向靜剛度來計(jì)算各橡膠支承間靜撓度差值,要求靜撓度最大差值小于1mm;并根據(jù)安裝架的結(jié)構(gòu)、材料特點(diǎn),用計(jì)算得到的von wises應(yīng)力來考察安裝架的靜強(qiáng)度,要求最大應(yīng)力值小于安裝架材料屈服強(qiáng)度的下限值[σ]=345MPa.

5 原方案計(jì)算結(jié)果

5.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

圖3為安裝架的應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力僅為31.3MPa,位于柴油機(jī)安裝座板上。最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于安裝架材料屈服強(qiáng)度的下限值,安裝架具有足夠的靜強(qiáng)度。

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5.2 靜剛度計(jì)算

圖4為安裝架上柴油機(jī)安裝區(qū)域、發(fā)電機(jī)安裝區(qū)域的垂向變形云圖,這些區(qū)域的最大垂向相對(duì)變形為。0.0805mm<0.1mm,滿足設(shè)計(jì)要求.

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并由相關(guān)計(jì)算結(jié)果知,安裝架前端每個(gè)橡膠支承處的支反力分別為27758N, 29194 N,后端每個(gè)橡膠支承處的支反力分別為36741 N, 38220 N,后端支承承受的機(jī)組重量比前端多了18009N(合1835kg).前后端支承處的支反力最大差值為△R=|RF-RB|=10462N,靜撓度差值為△r=△R/Kyy=2.87mm>lmm,橡膠支承靜撓度差值不滿足設(shè)計(jì)要求。

6 安裝架結(jié)構(gòu)改進(jìn)及校核計(jì)算

從上述計(jì)算結(jié)果知,安裝架靜強(qiáng)度,靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求,但后端支承承受的機(jī)組重量比前端多,使橡膠支承靜撓度最大差值不滿足設(shè)計(jì)要求。在保證安裝架主體結(jié)構(gòu)不作多大改變的前提下,調(diào)整支承位置是解決橡膠支承靜撓度最大差值不滿足設(shè)計(jì)要求的較好方法.通過一系列計(jì)算分析后,再結(jié)合安裝架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論,確定的安裝架最終設(shè)計(jì)方案是在原方案中把電機(jī)支承位置向后端移動(dòng)了262mm,其它結(jié)構(gòu)和原方案一樣。

6.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

圖5為安裝架最終結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖,安裝架的最大應(yīng)力為15.4MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于安裝架材料屈服強(qiáng)度的下限值[Q]=345MPa,這也驗(yàn)證了最終方案的安裝架具有足夠的靜強(qiáng)度。

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6.2 靜剛度計(jì)算

圖6為安裝架上柴油機(jī)安裝區(qū)域、發(fā)電機(jī)安裝區(qū)域的垂向變形云圖,由計(jì)算結(jié)果知,安裝架上發(fā)電機(jī)安裝座區(qū)、柴油機(jī)安裝座區(qū)間的最大垂向相對(duì)變形為0. 0813mm<0. lmm.滿足設(shè)計(jì)要求。

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安裝架前端每個(gè)橡膠支承處的支反力分別為33749N, 33993 N,后端每個(gè)橡膠支承處的支反力分別為33854N, 34093N,后端支承承受的機(jī)組重量?jī)H比前端多了205N〔合21kg)。前后端每個(gè)支承處的支反力最大差值為△R=|RF-RB|=344N,靜撓度差值為△r=△R/Kyy=0.094mm<lmm,橡膠支承靜撓度最大差值滿足設(shè)計(jì)要求,最終安裝架設(shè)計(jì)方案的橡膠支承位置從計(jì)算結(jié)果來看是比較合理的。

6.3 模態(tài)計(jì)算

模態(tài)計(jì)算的目的是確定安裝架各階的自由振動(dòng)振型及振動(dòng)頻率。計(jì)算中將柴油機(jī)、電機(jī)、安裝架、橡膠支承等整個(gè)系統(tǒng)一起作整體計(jì)算,該柴油機(jī)是12缸柴油機(jī),各缸發(fā)火間隔角為60°,其最低轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分,最高轉(zhuǎn)速1800轉(zhuǎn)/分,柴油機(jī)最小轉(zhuǎn)速頻率為1OHz,最大轉(zhuǎn)速頻率為30HZ,最小輸出扭矩頻率為60Hz,最大輸出扭矩頻率為180Hz.所以計(jì)算中共提取了安裝架自振頻率在0~250Hz范圍內(nèi)的所有模態(tài)。圖7~10為安裝架主要模態(tài)振型圖。(其余圖片限于篇幅此處略)

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從上述計(jì)算結(jié)果知,在0~250Hz頻率范圍內(nèi),安裝架的主要振型為垂向彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種方式。正常工作情況下,柴油機(jī)輸出扭矩是作用在安裝架上的最主要載荷,且安裝架扭轉(zhuǎn)振型與柴油機(jī)輸出扭矩作用下安裝架的變形是一致的,因而,當(dāng)柴油機(jī)輸出扭矩的頻率與上述扭轉(zhuǎn)振型的頻率相同或相近時(shí),整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組就易發(fā)生共振。在柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速頻率、輸出扭矩頻率范圍內(nèi),安裝架最終結(jié)構(gòu)易發(fā)生共振的扭轉(zhuǎn)振型頻率為43.263Hz, 133.127Hz.

對(duì)于12缸四沖程柴油機(jī),柴油機(jī)輸出扭矩的簡(jiǎn)諧頻率為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的簡(jiǎn)諧次數(shù),其中簡(jiǎn)諧次數(shù)取0.5, 1, 1.5, 2……,安裝架的扭轉(zhuǎn)頻率43.263Hz, 133.127Hz正好能避開柴油機(jī)輸出扭矩的簡(jiǎn)諧頻率,因此,該柴油機(jī)的設(shè)計(jì)能比較好的避免共振的產(chǎn)生。

7 結(jié)論

(1)由計(jì)算結(jié)果知,安裝架原方案所采用的支承方式,其支承布置不合理,后端支承承受的機(jī)組重量比前端多,使橡膠支承靜撓度最大差值不滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)安裝架改進(jìn)后的最終結(jié)構(gòu)是在原方案中把電機(jī)支承位置向后端(電機(jī)外端)移動(dòng)了262mm,其它結(jié)構(gòu)和原方案一樣.安裝架最終結(jié)構(gòu)的校核計(jì)算結(jié)果為:最大應(yīng)力為15.5MPa;發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)安裝座區(qū)最大垂向相對(duì)變形為0. Q813oun;各橡膠支承最大靜撓度差值為0.094mm,安裝架有足夠的靜強(qiáng)度和靜剛度,各橡膠支承靜撓度最大差值滿足設(shè)計(jì)要求.

(3)在柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速頻率、輸出扭矩頻率范圍內(nèi),安裝架最終結(jié)構(gòu)易發(fā)生共振的扭轉(zhuǎn)振型頻率為43.263Hz, 133.127Hz,正好避開了柴油機(jī)輸出扭矩簡(jiǎn)諧頻率,較好的避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(4)通過本次對(duì)安裝架的設(shè)計(jì)計(jì)算分析,感到對(duì)于安裝架設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞這種直接影響到柴油機(jī)正常工作的關(guān)鍵機(jī)車構(gòu)件,我們還應(yīng)加大設(shè)計(jì)驗(yàn)正手段,提高關(guān)鍵機(jī)車構(gòu)件設(shè)計(jì)質(zhì)量,以保證機(jī)車運(yùn)行的可靠性。

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