发动机附件支架的载荷较复杂，包括螺栓预紧力、皮带力以及动载等，本文基于有限元的模拟方法，提出了一种简化的分析方法，可以有效地预测支架的应力以及疲劳性能。

发动机的附件支架虽然不是其关键零部件，但由于用来支撑如发电机、动转泵、压缩机和水泵等，且有的支架支撑两个或多个附件，所以其质量也是非常重要的。由于支架所受的载荷较复杂，主要包括支架螺栓的预紧力、附件的皮带力以及发动机振动时产生的加速度，其中由于发动机振动产生的加速度会达到15～20g，若发动机附件的质量很大，重心位置离发动机机体较远的话，则会产生很大的力，而且由于振动方向的不确定性，会产生较大的应力幅值，导致支架的疲劳破坏。本文采用有限元的方法，设计一种简化的加载方式，以某款发动机的动力转向泵支架为例，预测支架的一阶模态、应力分布以及疲劳安全因数，来防止支架的失效。

有限元模型

由于支架支撑了3个附件，分别为动转泵、水泵以及惰轮，因此分析模型需包括如下部分：缸体的一部分、动转泵支架、支架螺栓、水泵壳体螺栓、水泵壳体、水泵轴、水泵带轮、动力转向泵、皮带轮、惰轮支架以及惰轮等，其有限元模型如图1所示。主要部件的材料名称及参数如表1所示。

载荷以及边界条件

载荷主要包括螺栓预紧力、皮带力和动载，其中预紧力容易确认，根据打紧力矩确定M8螺栓的最大预紧力为19.8kN，皮带力具有瞬时性，随着转速的变化而变化，根据轮系的计算可以得到皮带力随转速变化的曲线，如图2所示。为了保证支架在任何转速下都不发生破坏，计算时使用瞬时最大的皮带力，皮带轮受力情况如图3所示。而加速度则是双重不确定的，即方向的随机性以及大小的不确定性，这里为了简化计算方法选择一种简化的加载方法，即加载6个方向，大小为15g加速度的载荷，这样既考虑了方向和大小，而且这样加载是一种极限工况，属于过安全设计，不存在风险。

另外，由于发动机附件支架的失效模式基本为疲劳断裂，因此本次分析设计了一种疲劳分析的工况，可以有效地预测支架的疲劳安全因数，保证支架的疲劳性能达到要求。表2给出了高周疲劳分析的分析步骤。

由于发动机的附件质心位置一般离机体较远，且由于布置的原因系统的刚度较弱，因此首先需要计算附件系统的模态，考察是否会出现共振的风险。本系统的一阶模态振型与二阶模态振型如图4、图5所示，从中可以看出，一阶模态频率为293Hz，振型主要表现为惰轮的运动；二阶模态频率为320Hz；发动机的最高转速为5600r/min，而发动机的点火频率的激励最大。对于直列四缸发动机来说，点火频率为发动机固有频率的2倍，因此点火频率为187Hz，系统的一阶频率大于点火频率的1.4倍，满足要求。

支架的应力结果如图6、图7所示，可以看出在A、B倒角位置应力值为247MPa，已经接近材料的抗拉强度250MPa，大大超出了屈服强度，存在较大的风险，而距离两处位置1.3mm远的C、D两点的应力值仅为99MPa，出现很大的应力梯度。

初步分析是由于支架为一种铝合金材料，具有很强的塑性，而分析时使用的是完全的弹性材料参数。图8显示的是材料的弹性曲线以及弹塑性曲线，使用完全弹性材料当应变值增加时，应力值呈线性增加趋势，而使用弹塑性材料时，到一定的程度虽然应变增加，但是应力值趋于稳定。模型中倒角的位置收到的载荷较大，导致产生很大的应变，没有考虑材料的塑性则应力增加地很快，导致结果不正确。图9为考虑材料塑性后的分析结果，可以看出，A、B两处位置的最大应力值为174MPa，有了明显的改善，且低于材料的屈服强度180MPa。

经分析得出，支架上的最小安全因数为1.26，大于1.1的限值，满足要求，支架不会出现疲劳破环。

结语

支架的受力比较复杂，包括静载以及动载，且大小以及方向均存在不确定性，而笔者建立的这种分析方法可以有效地预测支架的模态频率、应力分布以及疲劳安全因数。另外，分别考虑了完全弹性材料与弹塑性材料属性对应力结果的影响，分析了原因，结果表明弹塑性材料属性可以准确地模拟支架的应力
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