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發動機懸置軟墊強度有限元分析

發布于:2022-08-22 22:09
有限元分析

      發動機作為運輸車輛的動力源,其固定支架與車架之間裝有橡膠懸置軟墊,作用主要是減緩車身、車廂的振動和保證萬向傳動裝置的平穩運轉,保障乘坐的舒適性,提高汽車的使用壽命。如果這類軟墊失效(破損、斷裂或者脫落),則使發動機與車架呈剛性聯接,失去減振和緩沖作用,無法吸收車輛行駛中的顛簸,發動機運轉時將發生振抖,而且在汽車加速和制動時,發動機前后竄動,容易導致機件破裂。但是在日常維護作業中,由于軟墊工作位置等方面的原因,車主和維修人員往往忽視對底盤懸置軟墊的檢查和維護。到失效后才知道,造成經濟損失。
      文中分析直列六缸柴油機懸置軟墊工作過程中的受力情況,建立軟墊的有限元分析模型,考慮橡膠材料的力學特性,將軟墊定義為超彈性材料模型,計算得到軟墊橫截面上應力強度的分布規律,并對軟墊在循環載荷作用下的交變應力強度進行分析,確定軟墊的疲勞源位置,對最終的斷裂面進行預測。
      文獻給出四沖程柴油機單個氣缸一個工作周期內曲柄銷所受的側向力和法向力的變化情況。直列六缸機六個氣缸合成后的力通過空間力學原理計算后,發動機機體水平和垂直方向的載荷分力在懸置軟墊支承處的變化曲線。發動機氣缸壓力測量間隔角為0.5,曲軸兩轉中共測了1440次。圖中所示為發動機某一轉速時所測數據,軟墊位置不同、發動機轉速不同,在圖中所表現的不同之處僅在于曲線的幅值。
      懸置軟墊所用材料為天然橡膠。橡膠變形時具有幾何非線性和不可壓縮等特點,將材料考慮為超彈性材料模型,并假設材料為各向同性和等溫性的。超彈性材料的本構模型通常以應變能勢函數表示,應變能勢函數以應變不變量或主伸長率表示。在已有的幾種本構理論中,取兩參數Mooney-Rivlin應變能密度函數。
      用于進行有限元分析的懸置軟墊中橡膠體的單元類型為HYPER58。這是一種八節點單元,用于三維超彈性固體結構建模,適用于具有任意大位移和應變的近乎不可壓縮的橡膠類材料。而其中鋼板所選用的單元為八節點三維塊單元SOLID45。
      前后懸置軟墊的示意圖及其單元模型,由于結構及受力的對稱性,后軟墊的半個模型,YOZ為結構的對稱面。在有限元計算時,為防止由于橡膠體的大變形而引起結構自接觸,需要在相應節點的相應方向上施加位移約束。在每個模型的鋼板和橡膠接觸面上建立接觸對,類型為永不分離的粘結,這主要是為了和零件的制造要求(發生斷裂時,鋼板上必須有附著的橡膠)相協調,保證結構斷裂不會沿著兩種材料的界面發生。加載時前軟墊的載荷沿:向加在螺栓和銷釘的相應節點上,沿Y向加在鋼板的相應節點上;后軟墊的載荷加加載面的相應節點,沿平行和垂直于加載面兩個方向對結構進行分析,結果表明,整個加載過程中,平行于OZ平面的所有平面上應力分布情況是一致的。
      前后懸置軟墊中與YOZ面平行的一個面上的應力強度分布云圖中可看出,結構在垂直于X軸方向的每一個面內,有兩個區域內的應力強度相對比較大,分別位于橡膠與上下兩塊鋼板交界面處,結構使用時這兩個區域是疲勞失效最先發生的地方,成為結構的疲勞源。從圖中還可看出,平面內結構的應力強度呈明顯的帶狀分布,雖然橡膠與鋼板的接觸面附近橡膠體的應力強度比較大,但制造要求不允許沿兩種材料的交界面裂開,因此,斷裂應該是首先發生在圖中1和2所示的位置,然后沿著兩者連線斜向擴展,最終的斷裂面是貫穿圖中A區的斜面。


                                                                                專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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