1 概述
随着现代工业的飞速发展,内燃机的广泛发展不仅增加了整车的动力性,而且也加剧整车的热负荷,使周围热敏零件的工作环境更加恶劣。然而,隔热罩作为内燃机排气热端的重要零件,主要用于隔离发动机排气系统高温,确保周围的热敏零件在适宜的温度环境下正常工作,防止塑料或橡胶材料的零件迅速老化或被引燃。但是,由于隔热罩自身的薄板结构特点,刚度不足,隔热罩受到发动机本体振动激励,长时间的振动疲劳后,会使隔热罩破裂,丧失隔热作用。因此在设计过程中,应当注重降低零件的振动失效出现的概率,同时随着发动机排温和爆发压力的提高,对隔热罩的可靠性也随之提出更高要求。
本文以某企业新开发的内燃机为契机,对整车道路耐久试验过程中出现半轴护套隔热罩(以下简称隔热罩)开裂,导致半轴护套迅速老化问题(如图1)进行分析研究,建立隔热罩有限元模型,对模型进行模态分析,重点研究隔热罩的固有频率和主振型,在此基础上进行在内燃机本体振动激励下的瞬态响应分析,研究隔热罩在不同频率下的位移和应力响应,分析隔热罩开裂的根源,通过结构更改设计避开各种振源的激励频率,进而增强结构刚度,提升产品可靠性。
图1 隔热罩开裂现场照片
Catia软件具有强大的CAD曲面造型功能和CAE分析功能,通过Catia 软件进行建模和有限元模态分析,可避免利用其它软件分析时所需要的数据转换带来的麻烦和转化过程中造成的数据丢失问题,提高计算分析精度。
2 结构建模
结构建模在有限元计算过程中至关重要,主要的步骤可分为三项:建立几何模型;网格划分和材料定义;载荷和边界条件定义。
2.1 建立几何模型
本文根据空间布置要求,通过CATIA软件建立护套隔热罩几何模型,该模型由两片空间不规则的曲面组成,采用3个固定点,分别与增压器支架和催化器支架螺栓安装连接,两种支架由实体数模组成,为了使计算结果更加准确,隔热罩与两种支架装配在一起进行分析(如图2)。
图2 隔热罩与支架装配件
2.2 网格划分和材料定义
本文运用CATIA 软件中Advanced Meshing Tools 功能对所需要进行分析的隔热罩和支架进行网格划分。隔热罩采用四边形壳单元,两种支架采用六面体实体单元,网格节点数23350,单元格数69376,如图3所示。
图3 网格模型
隔热罩采用双层厚度为0.5mm的铝板结构, 内外板由冲压翻边形式连接的,材料密度为2.7E-09t/mm³,弹性模量为70000Mpa,泊松比为:0.33;两种支架选用钢板Q235,材料密度为7.85E-09t/mm³,弹性模量为210000Mpa,泊松比为:0.3。
2.3 载荷和边界条件定义
本文结合隔热罩和两种支架的实际安装情况,隔热罩与支架之间在紧固位置采用螺栓固定连接,两种支架的安装位置简化采用固定约束,隔热罩内外板按照翻边的位置直接进行刚性约束,为了减少求解技术难度系数,暂不考虑铝板之间的碰磨。在此基础之上,将隔热罩和两种支架进行频域响应分析,由于主要受到发动机往复运动引起的二阶惯性力,对装配合件模型输入15G 的激励,激励的频率范围为0Hz-250Hz,采用白噪声限值调制。