发动机飞轮壳强度分析方法研究.pdf

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1、第27卷第1期聊城大学学报(自然科学版)VoL27N0．12014年3月JournalofLiaoehengUniversity(Nat．Sei．)Mar．2O14发动机飞轮壳强度分析方法研究季炳伟陈晓平李京鲁(1．潍柴动力杭州分公司，浙江杭州310012；2．宁波工程学院机械工程学院，浙江宁波315016)摘要飞轮壳是发动机的主要部件，起着保护飞轮，联接传动机构的作用．飞轮壳由于受到路面冲击载荷、发动机内部激励等作用而破裂带来巨大损失．本文从避免飞轮壳频率共振、静强度和疲劳损伤角度提出了飞轮壳强度的计算方法，采用有

2、限元方法进行发动机飞轮壳频率、静强度和疲劳强度分析，并以飞轮壳材料的拉伸和压缩屈服极限评估飞轮壳的静强度，采用临界平面法评价飞轮壳的疲劳寿命．最后，以某发动机的铝合金飞轮壳为例进行了验证，结果表明研究方法可为飞轮壳的结构改进优化提供依据．关键词飞轮壳，静强度，疲劳，临界面法中图分类号TK422文献标识码A文章编号1672—6634(2014)01—0098—04飞轮壳是发动机的主要部件，起着保护飞轮，联接传动机构的作用．如果飞轮壳设计不合理，易造成由于受到路面冲击载荷、发动机内部激励等作用而造成裂纹，最终破裂带来巨大

3、损失．目前飞轮壳的破裂在产品失效中所占比例很高，经常在飞轮壳壳体上发现裂纹，以往文献将飞轮壳破裂归咎于工艺与装配．飞轮壳的损伤有两方面的可能：一是外部环境过于恶劣，发动机整机处于极端冲击载荷作用下造成飞轮壳材料屈服，引起静强度破坏；二是在往复循环载荷作用下产生高周疲劳，最终引起疲劳破坏．但是飞轮壳并不是发动机中的主要运动部件，以往的设计校核中缺乏有效评价方法[1]．只有在产品概念设计阶段就对飞轮壳静强度和疲劳强度进行关注和有效评估，才能有效改进飞轮壳薄弱位置，提升发动机整体质量．因此本文从避免飞轮壳频率共振、静强度和

4、疲劳损伤角度提出了飞轮壳强度的计算方法，分析流程如图1所示．在疲劳分析中考虑各种影响因子的修正，并引入了临界面法[5进行疲劳寿命与安全因子的计算与评价，使计算结果更符合实际．1有限元模型建立1_1网格模型有限元模型包括发动机机体、飞轮壳、悬图i飞轮强度评价流程图置布置、变速箱质量属性等等．发动机机体对于飞轮壳来说是支撑部件，在动力学与有限元计算中起作用的是整体刚度和质量属性．因此对于机体的网格划分可以更为粗略，变速箱更是简化为一质点，通过刚性耦合连接到飞轮壳上．对于重点考察部位飞轮壳，除了整体网格尺寸要精细之外，还要

5、对壳体重点考察部收稿日期：2013—11—16基金项目；国家自然科学基金(51305215)通讯作者：季炳伟，E—mail：jibingwei@163．corn．第1期季炳伟等：发动机飞轮壳强度分析方法研究99位如加强筋底部、圆角位置进行进一步的细化，提升计算精度．1．2边界与载荷本文将对飞轮壳的频率、静强度与疲劳强度进行综合评价，因此计算模型的边界条件与载荷各不相同．计算飞轮壳频率时，各部件之间采用Tie连接方式，只分析飞轮壳在约束工况下的一阶频率与发动机频率的共振关系．在计算静强度与疲劳强度时，约束与载荷包括以下

6、几个方面：图2飞轮壳计算有限元模型(1)发动机悬置约束，采用不同的弹簧刚度进行3向刚度模拟；(2)各部件接触面设置，采用罚函数法设置接触面切向属性，增广拉格朗日法设置法相属性．接触面包括飞轮壳与机体接触，飞轮壳与螺栓端面接触等等．接触面采用节点一一对应方式并细化网格，为上文提到的接触滑移与密封评价做准备；(3)螺栓预紧力载荷；(4)整体加速度载荷．由于路面冲击带有不确定性，在无法获得合适的道路载荷谱时，采用加速度载荷方式进行模拟．静强度与疲劳强度分析由于两者的载荷性质不同因此采用的加速度略有不同．2飞轮壳静强度分析飞

7、轮壳静强度计算时，模拟的是发动机通过悬置和支架固定在卡车之上，与整车一起承受路面冲击以及转弯急刹等恶劣载荷冲击，这是一种极限冲击工况，并不属于疲劳的范畴．变速箱质点连接在飞轮壳上，该质点受加速度影响产生弯矩是飞轮壳的主要载荷来源．建立6个工况step，分别在、Y、的正负方向加上7g的加速度，分析飞轮壳在受到各方向的冲击载荷时产生静强度破坏的可能性．其中发动机曲轴方向为z轴，气缸方向为Y轴，z轴垂直纸面向外．在做强度评价时，以材料的抗拉屈服极限为最大主应力的评估上限，抗压屈服极限为最小主应力的评估下限．3飞轮壳疲劳强度

8、分析3．1载荷与边界约束飞轮壳的高周疲劳模型与静强度分析模型类似，只是加载的幅值不同．该计算模拟的是发动机持续不断的接受路面载荷冲击，该冲击并不会造成发动机瞬间破坏，但是在长时间作用下将形成各部件如飞轮壳的疲劳破坏．建立6个工况step，在z方向上加+2g加速度，Y方向加上+2g加速度，z方向加上3g和一g的加速度．3．2疲劳分析Brown与M