摘要：本文利用Hypermesh对某船用发动机中冷器系统进行前期的网格处理，用Abaqus结构仿真软件对处理好的发动机中冷系统进行模态及强度计算分析。文中先对产生故障的某船用发动机系统进行故障分析，找出故障原因，再根据故障分析结果对该系统的结构进行了优化。最终通过给该系统增加辅助支撑的方式，提高了中冷器系统频率，使其高于特殊零部件的校核标准，取得了较好的效果，从而有效解决了因发动机共振引起的故障。

关键词：中冷器系统;模态分析;静强度分析;面压;滑移量

Abstract： In this paper， a Marine engine intercooler system was processed with the Hypermesh in the early stage， and the model and strength of the processed engine intercooler system were calculated and analyzed with the Abaqus structure simulation software.In this paper， the fault analysis of a Marine engine system is carried out to find out the cause of the fault， and then the structure of the system is optimized according to the results of the fault analysis.Finally， by adding auxiliary support to the system， the frequency of the intercooler system is increased， making it higher than the checking standard of special parts， and good results are obtained， thus effectively solving the fault caused by engine resonance.

Key words： inter-cooled systems;thermal modal analysis;static strength analysis;surface pressure;slip

0  引言

中冷器系统是发动机上非常重要的系统，它的主要功能是将经过增压器压缩的空气的温度降低再提供给发动机进气系统，以降低发动机温度，从而提升功率和降低油耗。因此，中冷系统的工作可靠性是发动机燃油经济性的一项重要影响因素。本文主要利用Abaqus[1]结构仿真软件对某发动机中冷器系统进行模态和静强度分析，为解决故障提供优化方向和改进验证，提高了中冷器系统的可靠性，缩短了产品的开发周期。

1  故障问题

我公司配套的某型号船用发动机，出现中冷器螺栓断裂的问题。最初为中冷器支架螺栓断裂，更换较高强度的螺栓后，中冷器本身的螺栓断裂，故障图片如图1和图2所示。经分析为中冷器本身质量较重，整个系统模态较低，与发动机本身的振动频率产生共振的原因造成的故障。

通过对该中冷器系统进行模态及强度分析，增加辅助支撑，以提高整个系统的频率，使其避开发动机的常用转速对应的点火激励频率。优化后的方案已进行市场验证，至今未出现过故障。

2  故障分析及结论

2.1 中冷器系统建模

对中冷器系统进行前处理及模型搭建，发动机中冷系统原方案的三维模型如图3所示，系统部件材料相关属性如表1所示，中冷器质量属性如表2所示。

對中冷器、支架及飞轮壳等相关部件进行网格划分，模型中网格均为二阶四面体网格，最终得到中冷器系统的有限元模型[2]如图4所示。

2.2 接触及边界条件

在对中冷系统进行模态计算时，系统中各部件间建立TIE连接，系统接触情况定义如图5所示。进行模态计算时，对飞轮壳与机体相连的螺栓孔进行六个自由度的限制，如图6所示。

2.3 原方案中冷系统模态结果分析

原方案中冷器系统约束模态[3、4]计算分析结果如表3所示，一阶振型图如图7所示。

该中冷器系统约束模态一阶频率为27Hz，低于发动机额定转速（2100rpm）下点火激励，且二、三阶频率落在了发动机常用转速（1000-1600rpm）对应的点火激励（50-80Hz），推断共振是引起螺栓断裂的原因，需对该结构进行优化。

3  结构优化与仿真验证

3.1 结构优化

对原方案的一阶约束模态振型图进行分析，确定新方案的优化方向，通过在中冷器后端面增加辅助支架结构提高系统刚度，进而提高整个系统的模态。优化后结构如图8所示。

3.2 仿真验证

完成优化方案三维建模后，利用Abaqus软件对增加辅助支架的中冷系统进行模态计算分析和静强度计算分析。

优化后方案的前三阶频率如表4所示，一阶振型图如图9所示。

从表4中的计算结果可以看出增加了辅助支架后的系统一阶约束模态的频率数值由原本的27Hz提高到了97Hz，结果表明优化后的中冷系统在刚度上得到了明显提高，且避开了发动机常用转速的点火激励频率，降低了中冷系统的共振风险。

对辅助支架进行静强度分析，中冷器辅助支架在六向冲击作用下产生的最大Mises应力出现在Right方向上，为85MPa。二中冷器辅助支架的材料为QT400，其屈服强度为250MPa，远高于辅助支架所受的应力85MPa，因此辅助支架的强度满足设计要求。计算结果如表5所示，辅助支架的应力分布云图如图10所示。

施加螺栓预紧力作用下，中冷器辅助支架与压紧块、中冷器间的接触面，面压连续无间断，面压满足设计要求，辅助支架接触面滑移量最大值为0.048mm，小于滑移量限值，滑移量满足设计要求。滑移量计算结果如图11所示。

4  结论

本文是针对某船用发动机中冷器螺栓断裂故障，利用Hypermesh和Abaqus对该中冷器系统故障进行模态及静强度分析，认为出现故障的主要原因是中冷器系统的固有频率较低，与发动机的常用转速发生共振。根据分析结果对中冷系统的结构进行优化，通过增加辅助支架，提高了系统的刚度，进而提高系统的固有频率，并通过仿真手段验证了结构的合理性，在之后的市场验证中未再出现该故障。

参考文献：

[1]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.

[2]许一，吴寒.基于ABAQUS的建模与仿真[J].数字化用户，2013（18）：108-109.

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