时培伟，张 宇，袁 帅，亓宗磊，刘维娜

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊261061）

0 引言

随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提升，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具[1]。

在整车空调系统中，压缩机作为其心脏部件，所产生的振动与噪声问题日益受到重视；文献[2]对压缩机振动和噪声的发生于传播机理进行了详细的论述；文献[3]阐述了如何利用频谱分析技术识别压缩机噪声源的方法；而空调压缩机支架作为柴油机中的关键部件，被用来固定空调压缩机，并将其固定到发动机上；因此，空调压缩机支架不仅承受来自发动机振动源所传递过来的振动，还承受空调压缩机本身的振动，并且还支撑空调压缩机的重量及空调压缩机皮带载荷，其设计优劣直接就决定了整个压缩机的使用性能。

本文利用强大的前处理软件Hypermesh，对整个模型进行网格划分，应用ABAQUS进行静强度、模态、面压滑移分析，为校验设计的可行性及其方案的改进提供可靠依据。

1 有限元模型建立

1.1 空调压缩机建模

空调压缩机支架外形如图1所示，材料为QT450，重量2.63 kg，其材料属性如表1所示。

图1 空调压缩机支架

表1 空调压缩机支架材料属性表

通过Hypermesh前处理软件，对有限元模型进行了网格划分[4]，齿轮室、支架、空调压缩机、张紧轮均采用二阶四面体单元，螺栓采用二阶六面体单元，考察件空调压缩机支架平均网格大小为3 mm，非考察件网格大小为4～5 mm，如图2所示，整个有限元模型共有519 802个单元，132 651个节点。

图2 有限元模型

1.2 载荷及边界条件及载荷定义

边界条件是为了获得物理问题（各种微分方程）的唯一解，必须对计算边界设定各种参数值[5]；边界条件定义如图3所示：模态计算时，不施加载荷；静强度计算时，施加螺栓预紧力（M8：24 000～28 750N，M10：34 000～39 000 N）、六向15 g静力冲击载荷，张紧轮与空调压缩机皮带轮施加皮带力；模型接触定义如图4所示：模态计算时，各接触面均采用Tie连接；应力应变计算时，空调压缩机支架与齿轮室、辅助支架、螺栓帽等连接面采用摩擦接触面定义，张紧轮与空调压缩机皮带轮采用coupling约束，其余接触面采用Tie连接。

图3 边界条件定义

图4 接触定义

2 有限元计算机结果分析

2.1 模态分析

对空调压缩机支架系统模态进行计算，模态计算结果如表2所示：

表2 空调压缩机支架系统的前前四阶约束模态频率

空调压缩机支架模态一阶频率数值为122.5 Hz，如图 5～8所示，低于柴油机额定转速（3 200 rpm）下点火激励频率的1.2倍，即128 Hz，模态不满足要求。但鉴于柴油机常用转速区间1 600～2 400 rpm，对应激励频率为53.3～80 Hz，支架共振风险较小，因此建议在实际使用中验证。

图5 一阶约束模态振型图（122.55Hz）

图6 二阶约束模态振型图（242.05Hz）

图7 三阶约束模态振型图（284.79Hz）

图8 四阶约束模态振型图（365.73Hz）

2.2 静强度分析

静强度分析计算，施加最大螺栓预紧力，对空调压缩机支架、齿轮室进行应力计算，计算结果如表3、4所示。

表3 空调压缩机支架在各向冲击下的最大Mises应力值

表4 齿轮室在各个方向冲击下最大主应力计算结果

空调压缩机支架在各向冲击工况下产生的最大应力值为95.03 MPa，低于所应用材料QT450的屈服极限310 MPa，静强度满足设计要求，如图9所示。齿轮室在各向冲击工况下产生的最大主应力为114.46 MPa，低于材料HT250的抗拉强度极限250 MPa，强度满足设计要求，如图10所示。

图9 mise应力分布云图

图10 主应力分布云图

2.3 面压及滑移量分析

空调压缩机支架与齿轮室之间通过螺栓连接，施加最小螺栓预紧力，对各接触面进行面压、滑移量计算，在各向冲击下支架接触面面压分布云图如图11、12所示。

图11 面压分布云图

图12 接触面滑移量云图

空调压缩机支架与齿轮室接触面，面压连续无间断，面压满足设计要求，如图9所示。螺栓拧紧力矩作用下，齿轮室与支架接触面滑移量最大值为0.007 967 mm，最大滑移量小于滑移量限值0.01 mm，滑移量满足设计要求，如图10所示。

3 结论

（1）应用Hypermesh联合Abaqus，对空调压缩机支架进行模态、静强度、面压及滑移量校核计算，有限元计算结果表明：通过模态分析，空调压缩机支架空调压缩机支架在15 g静载荷工况下，静强度满足强度要求，面压连续且滑移量小，常用转速下不会发生共振。

（2）空调压缩机支架最大应力出现点在齿轮室螺栓孔与压缩机连接块端部过渡处，不同冲击载荷下，最大值出现的具体位置也不尽相同。

依据上述结论，就可以根据现实需要，进一步研究空调压缩机支架在实际运动过程中的受力、变形、疲劳损伤等内在机理，为支架的最大应力值、应力集中等这些点布置传感器提供了必要的帮助和依据。

参考文献：

[1]姚 伟.浅谈CAE技术现状及发展趋势[J].科技创新导报，2011（27）：67.

[2]吴文秀，光电式油管长度智能计量仪[J].机电工程，2001，18（2）：14-15.

[3]吴文秀，刘 立，李文兴.油管长度智能计量仪的研究与试验[J].室友机械，2000，28（5）：41.

[4]王钰栋，金 磊，洪清泉.HyperMesh＆HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012：50-66.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006：37.