搜索發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置剛度的有限元算法探討
2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置是用來對變速箱在地面沖擊產(chǎn)生的慣性不平衡力進(jìn)行附加約束,由于輔助懸置的橡膠軟墊厚度較小,抗緩沖能力不好,主要靠襯套壓縮變形后,桿子的剛性來進(jìn)行強(qiáng)制限位。輔助懸置主要負(fù)責(zé)衰減傳動(dòng)軸系振動(dòng)對變速箱的影響、增加變速箱位移限位、減小變速箱垂直慣性力在缸體后端面產(chǎn)生的力矩。因此,一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置剛度設(shè)計(jì)的是否合理,直接影響到整個(gè)傳動(dòng)系的穩(wěn)定運(yùn)行。
傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置剛度計(jì)算需要首先測量出傳動(dòng)系作用在發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置襯套上的力,再通過應(yīng)變片測量出輔助懸置杠子的變形,進(jìn)行剛度計(jì)算。但是由于輔助懸置剛性一般比較大,產(chǎn)生的變形值比較小,同時(shí)再運(yùn)動(dòng)過程中,輔助懸置承受的力時(shí)刻變化而且不容易測得,因此用試驗(yàn)方法計(jì)算剛度的方法誤差比較大,而且周期長。
本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置為例,闡述了利用 Altair 公司的 HyperWorks 軟件求解發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置的方法,同時(shí)通過設(shè)置柔性材料來增加分析的準(zhǔn)確度。
2 有限元模型的建立
有限元分析的精度主要取決于用于計(jì)算的有限元模型,模型必須如實(shí)反映零部件結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,所以模型化的基本原則是在硬件可以承受的情況下,盡量細(xì)分網(wǎng)格,使有限元模型盡量與幾何模型一致。發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置總成的幾何模型和扭桿有限元模型如圖 1 和圖 2所示。
由于如果只分析發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置扭桿,應(yīng)力和約束都直接加載在剛桿上,必然會(huì)導(dǎo)致扭桿的應(yīng)力集中,大大影響計(jì)算的精度。為了消除這些不良因素,本文作者在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置時(shí),將與扭桿相連的部分橡膠件也做了有限元化處理。同時(shí)為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確,將橡膠件的彈性模量 E 設(shè)置的比較小,使之可以產(chǎn)生比較大的變形來模擬橡膠件的特性。用于計(jì)算的模型如圖 3 所示,材料如表 1 所示,由于剛度計(jì)算,只需要知道材料彈性模量 E 和泊松比,因此可以假定一個(gè)很小的彈性模量參與計(jì)算即可。
3 計(jì)算結(jié)果
發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置總成共劃分單元 20907 個(gè),節(jié)點(diǎn) 9772 個(gè)。為了計(jì)算的準(zhǔn)確,輔助懸置扭桿用六面體單元模擬,共有單元 3255 個(gè);輔助懸置安裝支座和橡膠件用四面體單元模擬,有單元 17628 個(gè);螺栓用剛性元和梁元模擬。由于僅計(jì)算剛度,因此不用試驗(yàn)測得實(shí)際的載荷,只需要在輔助懸置中間安裝位置施加 1000N 力,來求得輔助懸置扭桿的變形量。圖 4 至圖 7 為輔助懸置總成的應(yīng)力,變形云圖。表 2 為發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置變形及剛度計(jì)算結(jié)果。
4 理論計(jì)算結(jié)果
其中 mgb(上加橫線)是支承點(diǎn)承受的當(dāng)量變速箱質(zhì)量。Xv 是垂直方向的位移控制值。按照我們目前的前后懸置軟墊尺寸,垂直方向位移應(yīng)控制在 5mm 之內(nèi)。假設(shè)變速箱在該支承點(diǎn)的當(dāng)量質(zhì)量按照 85%, 圖 8 輔助懸置理論模型圖垂直加速度在 5g-10g 之間,則計(jì)算出:陜齒 9 檔箱重量接近 390kg,當(dāng)量化后為 331.5kg,考慮動(dòng)載暫且假設(shè)為 350kg。
垂直位移控制值假設(shè)為 5mm。按照公式 2 計(jì)算出:
當(dāng)垂直加速度為 5g 時(shí),軟墊垂直剛度為 1750N/mm;
當(dāng)垂直加速度為 10g 時(shí),軟墊垂直剛度為 3500N/mm;
取個(gè)平均值,為 2625N/mm。
同時(shí),我們以前試驗(yàn)測得的 10N-01030 的剛度值在 2800-3200 之間,相比 2625 N/mm最大增加了 14%,對橡膠軟墊來說差異不大。
由上述理論和試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可知,輔助懸置的剛度有限元分析結(jié)果 2994N/mm 比理論計(jì)算剛度值 2625N/mm 大 14%,而與試驗(yàn)測量值一致,由此可以確定有限元計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確,我們采用的使用柔性橡膠件參與計(jì)算來降低應(yīng)力集中的方案可行,并且可以替代試驗(yàn)方案。
5 小結(jié)
本文通過利用有限元方法便捷的求解發(fā)動(dòng)機(jī)輔助懸置的剛度,并嘗試了使用降低彈性模量的方法來模擬橡膠等非金屬柔性材料,提高了剛度計(jì)算的精度,并通過與理論和試驗(yàn)結(jié)果的對比分析,驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)性。事實(shí)證明,有限元法的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近,因此利用有限元法求解各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剛度,是完全可行的。
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