发动机机油集滤器固定支架强度分析

王丽凤

摘要：为了校核某型柴油机机油集滤器固定支架的强度，建立了机油集滤器以及固定支架的有限元模型，利用Abaqus 软件分別对机油集滤器固定支架的模态振型及频率值、应力分布进行了计算分析，并对疲劳安全系数和静强度安全系数进行了校核。结果表明，支架安全系数符合要求，但存在共振风险。

关键词：机油集滤器;固定支架;模态;安全系数

0  引言

机油集滤器是发动机润滑系统部件，装在机油泵之前，其主要作用是滤除机油中的杂物、胶质和水分，提高进入机油泵中机油的清洁度。机油滤清器一般通过支架固定在发动机机体上。为了验证某型发动机的机油滤清器支架的强度是否满足作用要求，本文从静强度、疲劳强度和模态三方面进行计算分析。

1  有限元模型和边界条件

1.1 有限元模型

某型柴油机的机油集滤器装配图如图1所示。在建立有限元模型的过程中综合考虑计算精度的影响及有限元模型的计算规模，需要对结构进行适当简化。本文在建模过程中对于发动机机体只取与油底壳接触安装机油集滤器固定支架的部分机体。本文建立的喷油器有限元分析模型中的零件包括部分机体、机油集滤器管、支架、卡箍和螺栓。在有限元模型单元选择上本文选择可以同时解决复杂的几何外形及接触问题，并且能够计算出精确的接触压力的10节点四面体单元[1]。本文采用Simlab与Hypermesh进行网格划分，在Abaqus里进行前处理，使用Abaqus进行求解和后处理。有限元模型的单元数和节点数如表1所示，整个模型共有个227251单元，418251个节点，有限元模型如图2所示。

1.2 材料特性

集滤器有限元分析模型中各零件所用材料及其材料参数如表2所示。

1.3 边界条件

本文边界条件的施加如图3所示。在强度计算中，螺栓法兰面与支架连接面、螺栓法兰面与卡箍连接面、螺栓螺纹部分与机体螺栓孔等三处连接采用Tie连接，支架和卡箍接触面、吸油管与机体接触面采用Contact连接。在模态计算中，以上所有接触面均采用Tie连接。强度计算和模态分析中对于机体截断面均采用全约束。综合考虑各方向所承受的重力大小，参考以往的经验值，在上下方向加载10倍重力加速度，前后左右各加载5倍重力加速度。螺栓预紧力采用公式F=T/kd计算后进行施加[2]。

2  计算结果与分析

2.1 模态分析

2.1.1 模态振型

模态分析是利用Abaqus中的Frequency进行特征值提取，前四阶振型如图4所示。

2.1.2 模态频率值

经过自由模态振动计算，得到集滤器支架的前20阶模态频率值，具体值如表3所示。

本文所研究的直列6缸发动机的标定转速是

2300r/min，最高空载转速为2560r/min。本文研究的发动机为直列六缸四冲程柴油发动机，发动机在最高转速时的激励频率计算公式为[3]：

式中，f为发动机激励频率，i为气缸数，n为发动机曲轴转速，τ为发动机冲程数。

由上式可转换得到六缸发动机激励频率对应的转速n=发动机激励频率f×20，由此计算得到机油集滤器总成的第一阶固有频率对应的共振转速最高为2540r/min，接近但低于发动机的最高空载转速，有可能发生共振。因此，模态分析结果不满足要求，出现共振的风险较大。

2.2 安全系数计算

2.2.1 应力计算

将模型导入到Abaqus中计算强度。经计算，机油集滤器支架在施加10倍向上加速度时，卡箍与吸油管处应力分布较大，具体应力分布动力如图5所示。

2.2.2 疲劳安全系数计算

将支架材料Q235的疲劳计算属性进行设定：抗拉强度设置为390MPa，屈服强度设置为250MPa，脉冲循环疲劳强度设置为338.5MPa，交变循环疲劳强度设置为175.4MPa。将图5所示的应力计算结果导入FEMFAT，应用Transmax模块计算疲劳安全系数和静强度。在设置好Femfat计算选项后，先把计算生成的odb文件导入到FEMFAT进行疲劳计算。结果如图6所示，疲劳安全系数最小值为2.36，位置位于支架弯折边缘处，安全系数大于1.2，满足疲劳要求。

2.2.3 静强度安全系数计算

把计算生成的odb文件导入到FEMFAT进行静强度安全系数计算，计算前，在对支架材料Q235的疲劳计算属性进行设定时，抗拉强度用屈服值替代。计算结果如图7所示，静强度安全系数最小值为1.23，位置同样是支架弯折边缘处，安全系数大于1.2，满足静强度安全要求。

3  结论及建议

①机油集滤器总成的第一阶固有频率对应的共振转速最高为2540r/min，接近但低于发动机的最高空载转速，有可能发生共振。因此，模态分析结果不满足要求，存在出现共振的风险。但考虑所有连接皆为螺栓紧固，不存在焊接造成材料属性下降现象，也不会有焊接发生形变导致安装应力出现，即使出现共振，支架出现断裂的可能性不大，建议进行试验验证。

②疲劳安全系数最小值为2.36，位置位于支架弯折边缘处，安全系数大于1.2，满足疲劳要求。

③静强度安全系数最小值为1.23，位置同样是支架弯折边缘处，安全系数大于1.2，满足静强度安全要求。

参考文献：

[1]陈元华，李天明.柴油机机体增开窗口铸造成型后有限元分析[J].热加工工艺，2009，41（9）：42-44.

[2]陈元华.柴油机喷油器紧固螺栓及压板强度分析[J].内燃机与配件，2019（11）：45-46.

[3]侯献军，刘志恩，颜伏伍，等.汽车排气系统静力学计算及模态分析[J].汽车技术，2010（1）：40-42.