发电机支架断裂分析(二)

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3 支架模态分析　　针对以上测试结果，怀疑支架系统刚度不够，在发动机的激振频率范围内25Hz~200Hz，存在着共振点。为了确认并对该支架系统进行改进，本文用有限元方法对该支架系统进行了模态分析。
　　3.1 有限元模型的建立
　　本文利用Hypermesh 软件划分网格，由于支架底板和调节支架为钣金件，厚度都为4mm，本文划分底板为片体网格，对发电机模型进行简化，使其质量和转动惯量与实物测量数据一致，另外将压缩机用质量点表示，填入实测质量值和转动惯量值。螺栓处通过rbe2 连接，最终模型如图所示：
　　

　　图6 原支架系统有限元模型
　　

　　图7 原支架系统第一阶模态应力及振型图
　　3.2 计算结果
　　模型建好后，提交Nastran 进行正交模态计算，提取前三阶模态如表所示：
　　表1 原支架系统模态频率表
　　

　　其中第一阶模态振型如图7 所示。图中颜色深浅表示的是模态应力，可见在支架底板的中部应力较大。
　　4 结果分析及措施改进
　　由以上的实验和有限元分析来看，有限元模态分析结果基本符合实验现象，由于前两阶固有频率比较低，处在发动机的激振频率范围内，因此引起了支架系统的共振。在模态仿真分析中，固定支架第一阶固有频率为100Hz，这与实验结果colormap 图4 图5 中的142.19Hz非常接近，说明支架确实在该频率下存在共振现象。同时，该频率所对应的发动机转速为4500rpm 左右，从实验结果overall 加速度振幅图可见，在4318rpm 处确实也处在振幅过高的现象，由此可知，螺栓断裂非常可能的原因就是支架系统刚度不足，导致其一阶频率只有142.19Hz，落在发动机的激振频率范围内。解决的办法就是提高刚度，使支架的第一阶固有频率大于200Hz。
　　要提高结构的刚度，最简单而方便的办法就是加筋。从图7 所示的模态振型图上可看出，支架底板的中部应力较大，应该在此处加加强筋。又由于该阶模态的振型是X 方向左右晃动，对于底板来说就是就是按如图8 所示的交叉方向扭转，说明在该方向上刚度较差，第一阶模态是由于该方向上的刚度小而引起的。为了提高该阶模态频率，可在该方向上加加强筋。
　　

　　图 8 支架底板模态应力图
　　表2 改进后支架系统模态频率表
　　

　　对原发电机支架底板进行改进，加上交叉筋，并用改进后的支架底板代替原来的底板，重新建立有限元模型，如图9 所示，对其重新进行正交模态计算，得到如表2 所示支架的模态频率。其第一阶模态振型图如图10 所示，其振型与改进前基本一致。
　　

　　图 9 改进支架系统有限元模型
　　

　　图 10 改进支架系统第一阶模态应力及振型图
　　由结果可见，支架系统频率大大提高了，已经离开了发动机的激振频率范围，但离发动机的激振频率200Hz 任然非常近，一般而言，离激振频率越远，避振效果越好，这些有待今后改进。同时，从模态应力分布来看，原来支架底板中部的红色区域得到了非常好的改善，应力被均匀的分布到了周围区域。
　　对改进后的系统进行了发动机台架实验，目前没发现异常磨损和支架断裂的现象。
　　5 结论
　　本文通过整车路试振动测试实验，推断发电机支架刚度过低。利用有限元模态分析，进一步确认了问题发生的原因，并根据计算分析结果提出了支架系统的改进意见。
　　参考文献
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　　[3] 陈晓梅,模态分析在动力总成开发中的应用.[吉林大学汽车工程学院硕士学位论文],吉林:吉林大学,2007
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