基于Abaqus-fe-safe的空气滤清器振动疲劳分析

第３３卷第６期　２０１６年ｌ２月　内燃机与动力装置Ｉ．Ｃ．Ｅ＆Ｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ　Ｖ０ｌ。３３　Ｎｏ．６　Ｄｅｅ．２０ｌ６　【模拟计算】　基于Ａｂａｑｕｓ—ｆｅ—ｓａｆｅ的空气滤清器振动疲劳分析　张宇，曾超。袁帅，郝鹏飞。李艳君　２６１０６１）　（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊摘要：本文以某Ｘ－．程机械发动机用空气滤清器为研究对象，基于Ａｂａｑｕｓ模态分析提取空　气滤清器各阶模态及模态参与系数，导入Ｆｅ—ｓａｆｅ并结合空气滤清器实际工况功率谱密度　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ（简称ＰＳＤ）曲线，进行振动疲劳分析，并与振动疲劳试验台数据进行对　比，仿真结果与试验结果具有一定的吻合度，证明了仿真方法的有效性。　关键词：振动疲劳；空气滤清器；Ａｂａｑｕｓ；Ｆｅ—ｓａｆｅ；模态分析；ＰＳＤ　中图分类号：ＴＫ４２２文献标志码：Ａ文章编号：ｌ６７３－６３９７（２０１６）０６—００３３－０４　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｉｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｂａｑｕｓ／ｆｅ——ｓａｆｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ，ＺＥＮＧ　Ｃｈａｏ，ＹＵＡＮ　Ｓｈｕａｉ，ＨＡＯ　Ｐｅｎｇ—ｆｅｉ，ＬＩ　Ｙａｈ—ｊｕｎ　（Ｗｅｉｃｈａｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｅｉｆａｎｇ　２６１０６１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，ａｌｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ａｉｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｉｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｌ’ｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ａｂａｑｕｓ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｏｒｄｅｒ’ｍｏｄａｌｓ　ａｎｄ　ｍｏｄａｌ　ｐｍ￣ｉｃｉｐａｔｉｏｎ　ｆａｃ—　ｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｃｕｒｖｅ，ｔｈｅｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｂｙ　ｆｅ—ｓａｆｅ．Ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｈｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｎ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｔ’ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｆａｔｉｇｕｅ；Ａｉｒ　Ｆｉｌｔｅｒ；Ａｂａｑｕｓ；Ｆｅ—ｓａｆｅ；Ｍｏｄａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ；ＰＳＤ　引　言　十九世纪中叶，人们发现机车车轮结构可以在　远小于其静强度极限应力下发生破坏——因而研究　提出了常规的疲劳问题。人们也发现，在结构共振　题的一个分支，其另一部分可以称之为静态疲劳问　题；ｂ）声疲劳及冲击引起的疲劳都是由于激起结构　共振而产生的疲劳，可以统一为振动疲劳问题或称　为动态疲劳。因此声疲劳除载茼形式不同外，其计　算和试验技术也完全可以和振动疲劳一样；Ｃ）结构　非共振响应如外部振动力（频率不与振动频率接　近）并没有机器共振而发生的疲劳破坏，仍应按静　态疲劳问题处理。　频率下，比一般疲劳载荷小得多的载荷就能使结构　产生振动破坏。　Ｓ．Ｈ．Ｃｒａｎｄａｌｌ及ｗ．Ｄ．Ｍａｒｋ在上世纪六十年代　首次将振动疲劳描述为是一种不可逆的具有损伤累　积性质的振动破坏　；姚起杭老师在后续的研究　中，给出了振动疲劳的定义：结构承受的动态载荷　ｌ　振动疲劳问题的特点及其与静态疲劳的　区别　结构共振是结构质量、刚度、阻尼力与外力综合　平衡的频域变化特征量，这时阻尼力分布是决定外　力振动结构响应大小及其破坏的关键因素，而静态　（振动、冲击、噪声）的频率分布与结构固有频率分　布具有交集或相接近引起结构共振所产生的疲劳破　坏　。由此定义可见：ａ）振动疲劳属于常规疲劳问　作者简介：张宇（１９８１一），男，硕士，工程师．主要研究方向为动力工程、、　收稿日期：２０１６－１０－１０　内燃机与动力装置　图２空气滤清器有限元模型　前三阶模态振型及模态应力分布情况如图３～５所　示。　表ｌ　空气滤清器前三阶模态数值及振型描述　虱３空气滤清器一阶振型及模态应力分布云隆　囤一囤　园　圃一囤　訇４空气滤清器二阶振型及模态应力分布云图　司５　空气滤清器三阶振型及模态应力分布＿云图　２０１６年第６期　曾　超：　基于Ａｂａｑｕｓ—ｆｅ—ｓａｆｅ的空气滤清器振动疲劳分析　・３５・　２＿３　空气滤清器模态参与系数提取　模态参与系数的提取采用稳态动力学分析方　法，在２．２节模态分析的基础上建立基于模态的稳　态动力学分析步。根据模态分析结果，取空气滤清　件。　模型成功导入后，在Ｍａｎａｇｅ　Ｇｒｏｕｐｓ中选择需　要分析的部件，在Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｄａｔａｂａｓｅｓ为空气滤清器　壳体选择并赋予Ｑ２３５Ａ材料属性，算法选择Ｄｉｒｌｉｋ。　４．２　Ｆｅ—ｓａｆｅ振动疲劳分析结果　器第１０阶模态数值的１．２倍，即２３０Ｈｚ，定义为扫频　频率上限值，因此频域区间定义为１～２３０Ｈｚ，确保　提取的各阶模态数值被扫频区间覆盖。在保证计算　分析结果以对数寿命云图来显示，如图６所示，　排除组件间由于连接关系导致寿命失真的区域，得　精度的前提下，合理的定义频域区间扫频点及偏置　系数，以控制计算时间与结果大小。各阶模态采用　到目的区域的对数寿命局部放大视图如图７所示，　图中圆圈区域为目的寿命考察区域，对数寿命对应　区间为３．４～６．２，转换成循环次数后，目标区域最小　寿命为２５１２次。　直接阻尼法，阻尼值采用经验值０．０２，场向量不输　出，历史场向量输出整个模型的全局位移ＧＵ和全　局角位移ＧＰＵ。　３　实际工况载荷谱采集及ＰＳＤ谱生成　３．１振动载荷采集分析　对安装在整车上的空气滤清器进行振动分析试　验，分析消声器的振动特征，并根据整车常用作业工　况采集空气滤清器安装位置处的振动载荷。根据企　业相关规范，试验用整车柴油机选取应该按照该样　品安装机型最大功率段选取，以覆盖安装该检测样　品的所有车型，测试参数包括检测样品安装位置处　和相应响应点的振动，分析频率为１０２４Ｈｚ，频率分　辨率为１Ｈｚ。　３．２　ＰＳＤ谱生成　图６空气滤清器对数寿命分布云　功率谱密度是一种概率统计方法，是对随机变　量均方值的量度，一般用于随机振动分析，连续瞬态　响应只能通过概率分布函数进行描述，即出现某水　平响应所对应的概率。　由于本公司采用振动试验台为单向加载，因此　提取后的用于计算振动疲劳的ＰＳＤ曲线也采用单　图７空气滤清器对数寿命局部放大视图　向载荷，本例选取空气滤清器在整车上最危险方向　进行加载。　５　空气滤清器振动疲劳试验验证　根据相关企业规范，对仿真使用的空气滤清器　进行振动疲劳试验验证　。，试验台布置如图８所示，　空气滤清器破损部位局部视图如图９所示。　４基于Ｆｅ—ｓａｆｅ的空气滤清器振动疲劳分析　４．１　Ｆｅ－ｓａｆｅ振动疲劳分析流程介绍　Ｆｅ—ｓａｆｅ是由英国Ｓａｆｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司开发的　单向加载工况下，空气滤清器本体在试验进行　到约７０分钟时，目标区域出现裂纹，判定为疲劳失　高级疲劳耐久性分析软件，其基于有限元模型，算法　先进，功能全面　。。　效，试验持续时间折合成循环次数约为２３３３次，误　差为７．１％，与仿真计算所得结果较为接近，验证了　仿真的有效性。　本例采用Ｆｅ－ｓａｆｅ中ＰＳＤ　Ａｎａｌｙｓｉｓ模块，Ｓｏｕｒｃｅ　ＦＥ　ｍｏｄｅｌ选取２．２节中提取的包含空气滤清器前十　阶模态及模态应力的ＯＤＢ文件，Ｍｏｄｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｏｎ　６结束语　本文通过对空气滤清器振动疲劳的分析，突破　Ｆａｃｔｏｒ选取２．３节中提取的包含模态参与系数的　ＯＤＢ文件，Ｐｏｗｅｒ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ中选取３．２节中生　成的单向ＰＳＤ曲线，并将其做成　．ｐｓｄ格式的文　了以往空气滤清器仅采用单一模态指标评价的局限　性，完善了评价标准和体系，同时也积累了薄壁件振　・３６・　内燃机与动力装嚣　动疲劳分析的相关经验。在后续的研究过程中，需　要更加重视对各个影响因素的分析。　参考文献：　［１］ｓ．Ｈ．Ｃｒａｎｄａｌｌ，Ｗ．Ｄ．Ｍａｒｋ．机械系统的随机振动［Ｍ］．北　京：科学出版社，１９８０．　［２］姚起杭，姚军．结构振动疲劳问题的特点与分析方法［Ｊ］．　机械科学与技术，２ＯＯ０（１）：５６－５８．　［３］王明珠．结构振动疲劳寿命分析方法研究［Ｄ］．南京航空　航天大学，２００９：４８－４９．　图８试验台架布置　［４］务运兴．基于Ｈｐｅｒｗｏｒｋｓ的某轿车空滤器支架断裂问题　分析［Ｃ］．Ａｈａｉｒ２０１２ＨｐｅｒＷｏｒｓ技术大会论文集，２０１２：１—　２．　［５］杨庆乐．基于ＡＮＳＹＳ—ＦＥ—ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命　分析［Ｊ］．起重运输机械，２０１０（７）：５７—５９．　［６］刘文光．结构共振疲劳试验及裂纹构件的振动疲劳耦合　分析［Ｄ］．南京航空航天大学，２０１０：２３—２．　图９空气滤清器破损部位局部视图　（上接第６页）　设备的断开、闭合对机组运行稳定性有很大影响。　所以，进行了５０％负荷的突加、突卸性能试验，验证　３　结论　电气控制的应变可靠性，具体数据见表３。　由试验数据可以看出，突加、突卸５０％负荷情　（１）机组安装文丘里混合器后，能够在１０００ｋＷ　满负荷稳定运行，排气均温５７５￣Ｃ，能够承受５０％负　况下，机组瞬时转速差都在试验标准规范范围（≤　１０％）内，说明控制系统能够应对突加、突卸５０％负　荷的突加、突卸。沼气机组文丘里混合器及其控制　系统能够满足８３００ＺＬＤ／Ｚ（６００ｒ／ｍｉｎ，１０００ｋＷ）型增　荷的紧急情况，保证机组运行可靠性和稳定性。　表３突加、突卸５０％负荷下调速器性能试验数据　凋速器性能试验　环境温度：４℃　相对湿度：５１％　压机的使用要求。　（２）ＰＬＣ控制系统满足机组正常运行的控制要　求，控制策略简单实用。　（３）孤网运行时，现场可能没有逐渐增大的稳　定负载来进行标定，可能无法达到精确控制。　参考文献：　［１］张惠明．天然气发动机混合器结构对混合过程影响的研　究．内燃机学报．２００４（６）：４９８—５０３．　［２］乔安平．一种新颖的瓦斯气内燃机空燃自动混合控制装　置．天然气工、　２００２（３）：９９—１０３．