某柴油机防护罩有限元模态分析及优化

徐稼航，亓宗磊，袁 帅，郭 鑫

（潍柴动力股份有限公司 进出口公司，山东 潍坊 261000）

随着航海工业的进步，船用发动机工作状态下的安全性和可靠性获得了更多的重视。由于船用柴油机的使用环境通常比较恶劣，因此，常采用防护罩系统对旋转件进行保护，设计合理的船用柴油机防护罩能够有效阻止恶劣环境对柴油机结构的污染和损坏，同时具备良好的防雨防尘功能。不合理的船用柴油机防护罩可能产生诸如防护罩损坏、支撑柱断裂或防护罩振动过大及产生异响等问题。某船用柴油机防护罩存在振动剧烈的问题，本文采用HyperMesh完成防护罩的前处理，使用ABAQUS对防护罩模态进行校核，分析结构振动过大的原因，并提出了一种优化方案。优化后的方案在满足防护罩功能性的基础上，还对防护罩的防护板和支撑结构进行了优化，使本文的防护罩具有良好的模态特性。优化后的防护罩结构简单，造型美观，能够满足轻量化的需求的同时也满足有限元分析对模态性能的要求。

本文的柴油机防护罩采用多点固定及支架固定，支架通过螺栓将防护罩壳体和机体固连，合理的支架布置能够有效减少应力集中，本文设计的柴油机防护罩使其安装在机体上更牢靠稳定。支架和防护罩之间安装有减震垫，可有效减小由于震动产生的噪音。如不安装防护罩，柴油机在工作时，柴油机皮带轮、发电机、惰轮等旋转件存在发生卷入杂物而导致柴油机工作异常的风险。其次，为满足柴油机对轻量化的需求，防护罩壳体采用镂空结构，镂空结构同时能够观察到轮系旋转件内部运动。

1 有限元计算模型

1.1 防护罩建模

为了贴合船用柴油机防护罩实际使用工况，使分析结果更加准确，除了建立了柴油机防护罩有限元分析的模型外，还对与防护罩相连的部件完成了建模。船用柴油机防护罩壳体、支撑支架和连接板的材料均为Q235-A，其弹性模量为2.12×10N/m，泊松比为0.288，质量密度为7.86×10kg/m。本文使用HyperMesh对柴油机防护罩、连接螺栓法兰、支撑支架、连接板等完成前处理的网格划分，使用ABAQUS完成防护罩模态计算，其中壳体为1.5 mm的壳单元结构，其他部件为二阶四面体网格，整体结构有限元模型如图1所示。

图1 柴油机防护罩

1.2 边界条件和接触定义

边界条件是为了获得求解区域物理问题的确定解的前提条件，对于任何ABAQUS模态或强度问题，都需要给定边界条件，并且对于边界条件的处理，会直接影响计算结果的精度；本文在支撑支架周边建立ENCASTRE边界条件，约束支撑支架周边所有的自由度。支撑支架周边建立固定约束条件如图2所示；模态计算时，不需要施加载荷，壳体与壳体、壳体与连接板、壳体与支撑支架接触面之间均采用Tie连接，接触定义如图3所示。

图2 边界条件定义

图3 接触定义

2 模态分析

模态分析可以得到船用6缸柴油机防护罩系统每一个阶次的模态，通过对船用6缸柴油机防护罩进行结构模态分析，可得出防护罩在易受影响的模态频率范围内的振动特性，当机械结构的外部激励频率与其固有频率相接近时，机械结构易发生共振，导致结构损坏，影响柴油机防护罩的使用。因此，结合模态分析法和相关试验，可以避免柴油机防护罩发生共振，也可用于6缸柴油机防护罩系统的重新设计。6缸发动机振动的主要激励源为点火激励，点火激励频率为

式中，为发动机转速；为缸数；为冲程数。

该4冲程6缸船用柴油机的额定转速是2 000 r/min，故其最大点火频率值为100 Hz。

如表1所示，6缸柴油机防护罩模态一阶频率数值为64.6 Hz，二阶频率数值为78.1 Hz，三阶频率数值为102.1 Hz，前三阶如图4—图6所示，低于6缸柴油机额定转速（2 000 r/min）下点火激励频率 的1.2倍，即120 Hz，防护罩模态不满足要求，存在共振风险，因此，需要对防护罩进行改进。

表1 防护罩前三阶约束模态频率

图4 一阶约束模态振型图（64.6 Hz）

图5 二阶约束模态振型图（78.1 Hz）

图6 三阶约束模态振型图（102.1 Hz）

3 优化设计及校核

3.1 结构优化

根据防护罩前三阶振型有限元分析结果，对防护罩进行结构优化，由于防护罩整体模态频率数值较低，与常用转速对应的点火激励相差较大，因此，需要增加6缸柴油机防护罩的整体模态频率，本文将防护罩壳体的板厚由原方案的1.5 mm增加至2 mm，提升防护罩的整体刚度；其次根据防护罩系统模态振型增加支撑支架和连接板的数量。由防护罩一阶模态振型可知，防护罩左侧振型较大，因此，在防护罩左侧增加一根支撑柱，加强局部结构的刚度；通过对原方案二阶、三阶模态振型分析后，调整防护罩侧板和上板之间的连接片的位置，加强防护罩上端结构的刚度，优化后的防护罩有限元模型如图7所示。

图7 优化后的柴油机防护罩

3.2 优化后结果

使用ABAQUS对优化后的船用柴油机防护罩重新计算模态，图8—图10为优化后的船用柴油机防护罩一到三阶约束模态振型图。优化后的防护罩一阶固有频率值为120.93 Hz，二阶固有频率值为159.83 Hz，三阶固有频率值为169.67 Hz，可见合理地通过增加防护罩厚度，有效地提高了6缸柴油机防护罩整体模态频率，6缸柴油机防护罩前三阶模态大于120 Hz，满足设计要求。同时分析6缸柴油机防护罩模态振型可知，通过增加防护罩左侧的支撑柱结构和调整侧板和上板之间连接片的位置，6缸柴油机防护罩左部结构和上部结构的振型得到了显著的优化，证明优化后的支撑结构对6缸柴油机防护罩模态的改善有良好的效果。

图8 优化后一阶约束模态振型图（120.93 Hz）

图9 优化后二阶约束模态振型图（159.83 Hz）

图10 优化后三阶约束模态振型图（169.67 Hz）

4 结论

（1）通过应用HyperMesh及ABAQUS软件对存在振动过大问题的船用发动机防护罩进行模态计算，结果表明，优化前的船用柴油机防护罩前三阶模态低于发动机额定转速对应激励频率的1.2倍，模态不满足设计要求，设计存在缺陷，存在防护罩与发动机共振的风险。

（2）根据计算结果，找出了发动机防护罩模态振型较大处进行了加固，并增加了防护罩壳体厚度，提高了防护罩强度，优化了防护罩结构。优化后的船用柴油机防护罩一阶固有频率值为120.93 Hz，高于柴油机额定转速（2 000 r/min）下点火激励频率的1.2倍，即120 Hz，优化后防护罩模态满足要求。