某发动机机油标尺管开裂原因及对策分析

吴江

摘要：以某发动机机油标尺管为研究对象，针对其台架耐久试验中产生的疲劳裂纹，基于其断口形貌初步确定裂纹源，再通过ABAQUS和FEMFAT软件进行裂纹源应力及寿命分析，为后样件试作和台架试验验证提供优化方案，有效节省了对策验证的周期和成本，同时也通过台架试验验证了有限元分析模型和计算方法的可靠性和有效性。

关键词：机油标尺管;开裂;应力;疲劳寿命

Abstract： As for the fatigue crack of engine oil charging pipe in vibration bench test， the initial source was identified based on fracture appearance， and then the finite element analysis was conducted with the software of ABAQUS and FEMFAT in order to find the optimized countermeasure for producing and validation afterwards， including the stress and fatigue lifetime prediction， which can obviously reduce the leading time and cost. On the other hand， the test result can also validate the reliability and effectiveness of our FEM model and simulation method.

Key words： oil charging pipe;crack;stress;fatigue lifetime

0  引言

发动机一般采用机油液位指示器来确定油底壳内的机油量，由于机油标尺具有结构简单、成本低廉的优势，因此在国内外发动机上普遍采用。机油标尺一般通过与机油标尺管配合使用，来完成对发动机油底壳内液面的指示[1]。为对应某发动机机油标尺管在开发耐久试验中出现的支架开裂课题，针对原有设计方案进行设计改善，通过优化支架加强筋或者变更支架材质，来提升其耐久寿命。本文利用ABAQUS和FEMFAT有限元仿真分析为手段，结合现有疲劳寿命研究理论基础[2]，针对发动机机油标尺管潜在改善方案在振动耐久条件下的寿命进行分析，来判断改善后的样件能否满足性能要求，寻求优化的改善方案。

1  课题及改善方向

在某发动机机油标尺管开发阶段的振动耐久试验中，其支架转角位置出现疲劳开裂，如图1左所示，根据断口形貌特征（图1右），初步断定裂纹源为位置①和位置②。位置①为支架中间筋位置（主要裂纹源），位置②为R角位置，需要进行对策。

为改善其疲劳耐久性能，通过优化支架处的加强筋形状和变更支架材料两个方向进行改善，分别制定了KAI-1（优化加强筋形状）和KAI-2（变更支架材质）两种可选的改善方向，在实施台架耐久前利用ABAQUS和FEMFAT软件针对改善方案进行应力和耐久寿命的评估，从而选取最有效的对策方案进行验证。

2  机油标尺管振动有限元分析

2.1 CAE分析模型对标

为了验证CAE分析模型计算的准确性和有效性，先通过测试机油标尺管支架断口1和2位置在发动机整机装配状态下，模拟整车前后方向振动试验条件的位移和应变，按照实际的材料弹性模量换算成应力值，再与ABAQUS软件平台分析受拉和受压两种状态下的应力值进行对比，通过其差值来预估模型的计算精度。（图2、图3）

表1為标尺管支架CAE计算应力值与实测值的对比结果，可以看出在受压和受拉两种状态下位置1和2的应力仿真精度值均在可接受范围内，可初步断定计算模型的准确性有参考价值，基于模型计算结果可以预测改善样件的振动试验表现。

2.2 疲劳寿命分析

按如下步骤进行分析：步骤1：进行初始预紧力分析，设定加注管支座的约束条件：发动机缸体断面固定，初始载荷条件为支架螺栓初始扭力值，从而计算支座初始预应力;步骤2：基于计算所得的支座初始预应力，按照表2所示3个载荷工况（振动扫频试验中出现的振动幅值）计算累计的疲劳寿命安全系数，安全系数小于1代表台架振动试验中加注管支架薄弱位置存在断裂的风险。

按照上述设定条件针对改善方案KAI-1和KAI-2在FEMFAT平台上进行疲劳寿命分析，计算结果如图4所示，可以看出两者的安全系数均大于1，但是KAI-1方案在位置2的安全系数接近于1，考虑模拟计算的精度，仍存在振动试验中出现裂纹的可能性，同时考虑KAI-2方案并未增加零件成本，建议按照改善方案KAI-2进行后续推进。

3  机油标尺管改善方案台架试验验证

以改善方案KAI-2进行了样件试作，并按照发动机台架振动耐久的条件进行了改善效果验证，试验后的样件经过无损探伤检测后确认无裂纹产生，课题解决。

4  结论

以某发动机用机油标尺管为研究对象，基于ABAQUS和FEMFAT平台对各改善方案在工作状态下的应力分布及耐久寿命进行了模拟分析和计算。分析结果表明：①各改善方案在原断裂位置的疲劳耐久寿命均有提升，KAI-1和KAI-2在重点位置的疲劳寿命安全系数均大于1;②改善方案KAI-1在位置2疲劳寿命安全系数接近于1，考虑计算偏差，判断仍存在试验中出现裂纹的可能性;改善方案KAI-2疲劳寿命安全系数在2以上，判断问题无。

最后，KAI-2方案经过发动机台架耐久试验后无裂纹产生，改善有效，也验证了我们有限元分析的可靠性，节省了改善方案重复验证的周期和成本。

参考文献：

[1]倪伟，庞淑娟.关于发动机机油标尺设计的探讨[J].内燃机与动力装置，2012（4）.

[2]陈传尧.疲劳与断裂[M].华中科技大学出版社，2002.