某船用柴油机发电机支架系统仿真计算分析

高迎宾，张 宇，张 超，王攀峰

（潍柴动力股份有限公司 国际业务协同部，山东潍坊 261061）

0 前言

船舶零部件由于设计不合理，可靠性不过关造成的产品质量问题普遍存在。在船舶发动机发电系统中，发电机支架作为核心部件发电机的重要支撑，其可靠性和疲劳耐久性直接关系到整个发动机系统能否正常运行。通常人们通过试验方法和模拟计算分析的方法来确定零部件的可靠性和疲劳强度。一般的零部件试验周期比较长，费用贵，消耗的人力物力大，不能满足零部件试验高效率的要求。随着计算机技术水平的不断提高和计算速度的不断加快，各种功能更加强大和计算精度更高的仿真软件也在不断的更新，CAE软件作为在科研和实际研发生产中重要的结构仿真分析工具有着广泛的应用，其计算精度和工作效率也有了很大提高，CAE软件已经广泛应用到了科研和实际产品设计当中。东北林业大学的孔庆华等通过CAE软件对发动机支架的强度进行了分析研究，为进一步改进发动机支架的结构设计提供了必要的理论依据[1]；江淮汽车集团股份有限公司的张波基于ABAQUS软件对发动机悬置支架进行了模态以及强度疲劳分析，预测了支架的NVH性能和强度性能[2]。山东华宇工学院的张坤等通过Ansys软件对自卸车发动机支架进行了有限元结构分析，得出了支架在实际工况中的最大应力和变形分布，验证了该支架的可靠性[3]。发动机支架主要对发动机起了支撑固定的作用，而发电机支架是对整个发电机系统进行支撑固定，它们的结构及应力分布都有着很大不同，本文通过CAE软件对新设计发电机支架进行模态、强度、疲劳等多个方面进行了更加全面的分析，为发电机支架以及相似发动机零部件的结构设计提供了可靠依据。

本文利用强大的前处理软件Hypermesh，对发电机、发电机支架整个系统模型进行网格划分，导入结构仿真分析软件ABAQUS进行模态、强度和面压滑移计算分析，并利用FEMFAT进行了疲劳分析，为校验设计的可行性以及为设计方案的改进提供了可靠依据。

1 有限元模型

1.1 发电机系统建模

船舶发动机及发电机支架模型如图1所示，发电机支架重量为5.95 kg，材料为Q235A，支架材料属性如表1所示。

图1 支架模型

表1 发电机支架材料属性表

通过Hypermesh网格划分前处理软件，对发电机支架系统模型进行了网格划分，齿轮室、支架、发电机、张紧轮均采用二阶四面体单元，螺栓采用二阶五面体单元。分析件发电机支架平均网格大小为3 mm，其他部件平均网格大小为4~7 mm.如图2所示，整个有限元模型共有707 269个网格，182 382个节点。

图2 有限元模型

1.2 载荷、边界条件及载荷定义

载荷及边界条件定义如图3所示。模态计算时，不施加载荷；强度计算时，螺栓施加预紧力（螺栓公称直径8 mm，强度级10.9级，预紧力大小18 750 N），六个方向分别施加15倍的重力加速度冲击载荷，张紧轮与发电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，发电机支架与齿轮室接触面采用摩擦接触定义，张紧轮与发电机皮带轮采用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 有限元计算结果分析

2.1 模态分析

对发电机支架系统进行模态计算，模态计算结果如表2所示。

表2 发电机支架系统前四阶约束模态

发电机支架系统一阶模态为161.7 Hz，振型如图5所示，一阶模态高于柴油机最高空车转速（最高空车转速为2 310 r/min，柴油机为六缸机）下点火激励频率的1.2倍，即138.6 Hz，避开了共振风险。从模态计算结果来看，发电机支架满足设计要求。

图5 一阶振型

2.2 强度分析

对螺栓施加预紧力，张紧轮和发电机皮带轮施加皮带力，六个方向分别施加15倍的重力加速度载荷后，发电机支架的应力计算结果如表3所示。

表3 发电机支架在各向冲击下的最大Mises应力值

发电机支架在各向载荷冲击下产生的最大应力值为61.6 MPa，低于材料屈服强度极限235 MPa，静强度满足发电机支架的设计要求，如图6所示。

图6 Mise应力分布云图

2.3 面压、滑移量及疲劳分析

发电机支架与齿轮室之间通过螺栓连接，螺栓施加预紧力，对各接触面进行面压、滑移量计算。在各向载荷冲击下支架与齿轮室接触面间面压连续无间断，面压满足设计要求。面压分布云图如图7所示；螺栓在预紧力作用下，支架与齿轮室接触面滑移量最大值为0.008 mm，小于滑移量限值0.01 mm，滑移量满足设计要求，如图8所示。

图7 面压分布云图

图8 滑移量分布云图

如图9所示，发电机支架高周疲劳安全系数最小值为1.539，高于限值1.1，高周疲劳满足设计要求。

图9 高周疲劳安全系数分布云图

3 结论

（1）应用Abaqus软件对发电机支架进行有限元计算，结果表明：在发动机常用转速工况下，发电机支架系统不会发生共振，发电机支架在15倍的重力加速度冲击载荷工况下，发电机支架强度满足设计要求，发电机支架与齿轮室接触面间，面压连续且滑移量小。

（2）发电机支架最大应力点出现在支架侧肋与支架底座的接触处，不同方向冲击载荷下，最大值出现的具体位置也不相同。发电机支架高周疲劳安全系数的最小值满足限值要求，满足设计要求。