某柴油机油底壳仿真计算分析

高迎宾　袁帅　潘效龙　李艳君

摘要：本文利用ABAQUS结构仿真软件对某发电用柴油机油底壳进行模态、强度计算。在发动机实际运行工况下，油底壳底部为悬空状态，模态计算结果显示油底壳一阶模态距发动机点火激励频率点较近，低于激励频率的1.2倍，模态不满足设计要求;在发动机装配过程中，油底壳底部压在装配台上，发动机在上下方向三倍的重力加速度冲击载荷工况下，油底壳产生的应力最大值低于对应材料的屈服强度极限，强度满足设计要求。通过对油底壳两种状态下的仿真分析，验证和确保了油底壳结构设计的可行性，有效避免了发动机装配和实际运行过程中故障的发生。

Abstract： In this paper， the mode and intensity of oil pan have been calculated by using ABAQUS structure simulation soft. In the actual operating condition of the engine， the bottom of the oil pan is suspended， the mode simulation result shows that the first mode of oil pan is not much bigger than excitation frequency of engine， smaller than 1.2 times of engine excitation frequency， the mode is not satisfied to the design demand. During engine assembly， the bottom of the oil pan loads on the assembly table. Under three times impact of gravity， the maximum stress of oil pan is smaller than Yield intensity limit， the intensity is not satisfied to the design demand. The analysis of oil pan simulation verify and guarantee the design. It avoids the engine fault effectively under the assembly and actual operating condition， the fault of engine assembly and actual operation is avoided effectively.

关键词：结构仿真;模态;强度;油底壳

Key words： structure simulation;mode;strength;oil pan

0  引言

油底壳是发动机上重要的零部件，它的设计除了要满足基本的为润滑系统贮存、提供润滑油的要求之外，还要满足使用可靠性。本文即利用ABAQUS结构仿真软件对新设计油底壳进行了可靠性仿真验证，为油底壳的设计和改进提供了指导方向。

1  有限元模型

1.1 油底壳建模

油底壳模型如图1所示，油底壳内部有多个肋板结构，油底壳材料属性如表1所示。

对油底壳、机油及相连接部件齿轮室进行有限元网格划分，油底壳外壳、机油及齿轮室采用二阶四面体网格划分，油底壳内部肋板采用壳单元网格划分，有限元模型如图2所示。

1.2 载荷、边界条件及载荷定义

在发动机实际运行过程中，油底壳靠螺栓固定在发动机上，底部悬空;在发动机装配过程中，油底壳压在装配台架上，油底壳承载着整台发动机重量，因此本例模态和强度计算的边界条件不同。另考虑到模态是机械结构的固有振动特性，因此模态计算时，无须对模型进行边界载荷施加。模态计算时，边界条件定义如图3所示，对油底壳上部螺栓孔、齿轮室螺栓孔进行边界固定。强度计算时，边界条件定义如图4所示，对油底壳与装配台架接触面进行边界固定，对整个有限元模型施加上下两方向3倍的重力加速度静力载荷冲击。模态和强度计算时，油底壳与齿轮室、油底壳与机油的接触面均采用Tie连接。

2  有限元计算结果分析

2.1 模态分析

对油底壳约束模态进行计算，模态计算结果如表2所示。

油底壳一阶模态为106.9Hz，振型如图5所示，一阶模态高于发动机最高空车转速（最高空车转速为1800rpm，柴油机为六缸机）下点火激励频率90Hz，但与激励频率相差较小，低于激励频率的1.2倍即108Hz，存在一定共振风险。从一阶模态阵型看，变形出现在油底壳底面，因此在改进设计中应增加油底壳底面厚度，或改变底面结构以增强油底壳底面刚度，从而提高油底壳一阶模态，完全避开共振风险。

2.2 强度分析

对油底壳进行应力分析，在上下两方向3倍的重力加速度静力载荷冲击下，油底壳的应力计算结果如表3所示。

由计算结果可以看出，油底壳在上下方向载荷冲击下产生的最大应力值相同，均为166.3MPa，低于材料屈服强度极限235MPa。应力最大值均出现在油底壳底座边侧与油底壳底面的接触部位，静强度满足油底壳的设计要求，应力分布云图如图6所示。

3  结论

①模态计算结果显示油底壳一阶模态距发动机点火激励频率点较近，低于激励频率的1.2倍，一阶模态变形出现在油底壳底面上。在优化设计中，应增加油底壳底面厚度或优化底面结构以提高油底壳底面刚度，从而提高油底壳一阶模态，避开共振风险。

②强度计算结果显示，在上下两方向3倍的重力加速度静力载荷冲击下产生的最大应力值相同，均发生在油底壳底座边侧与油底壳底面的接触部位，最大应力值低于油底壳材料的屈服强度极限，油底壳强度设计满足要求。

参考文献：

[1]蔡达威，張松.柴油机油底壳的失效分析与改进[J].装备制造技术，2007（06）：57-61.

[2]倪伟.发动机油底壳的设计探讨[J].奇瑞汽车股份有限公司，2012（02）：51-53.

[3]汪海燕，殷志雄，肖亮.基于模态分析的油底壳结构设计及优化[J].江西五十铃发动机有限公司，2018（07）：3-4.

作者简介：高迎宾 （1990-），男，山东潍坊人，硕士，研究方向为汽车CAE仿真、结构优化。