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基于有限元法及DOE 的快速响应设计 ——某发动机油底壳密封失效故障解决 王康, 柯俊峰, 王玲芳 上海汽车集团股份有限公司技术中心 摘要: 本文基于某车用发动机油底壳的机油渗漏故障的原因分析及设计改进，将有限元方法 和试验设计理论有机相结合，显著减少试验和计算数量，借助ABAQUS/STANDARD 出色的 非线性处理能力和优异的计算精度，最终通过少量的比对计算，找到了最优设计方案，解 决了油底壳机油渗漏故障，为设计及方案优化提供了有效指导，凸显了快速响应设计理念。 关键词: ABAQUS ，快速响应设计，DOE ，非线性，发动机，油底壳，渗漏 1. 引言 随着市场竞争加剧，产品质量和设计响应速度日益成为市场和企业关注的焦点。有限 元方法是机械设计领域不可或缺的标准手段之一，试验设计（DOE ）则在产品质量控制过 程中扮演了非常重要的角色，目前两者均已广泛应用到了各个领域的产品质量改善、工艺 流程优化及快速响应设计等方面。 本文将基于一个典型的工程实例，展示如何将有限元方法和试验设计相结合，以期给 读者带来一些有益的启发。 2. 问题描述及技术路线 某车用发动机在改型应用过程中，需要改变布置方案，限于结构限制，概念设计中将 传动轴轴承座固定在油底壳上。由于油底壳是刚性较差的薄壁零件，在悬挂重物后易导致 可靠性和耐久性的问题，因此需对该设计进行充分验证。 2012 SIMULIA 中国区用户大会 1 在通过初步的耐久考核后，发现传动轴轴承座固定点上方的油底壳密封面出现机油渗 漏故障。在原机上的试验和产品销售过程中，没有发现过相同的失效模式，因此推断，机 油渗漏可能是由于增加传动轴后导致的新增故障。 为找到该问题的根本原因，并提出有效的改进措施，本文建立了有限元模型，采用 ABAQUS/STANDARD进行深入研究，针对影响因素基于试验设计理论优化虚拟试验方案， 最后借助有限元方法对最优设计方案进行虚拟验证。 3. 根本原因 3.1 有限元模型 为了减小计算规模，仅取渗漏侧油底壳/机体群部、传动轴轴承座和传动轴作为计算对 象，有限元模型如图1所示。 图1 有限元模型 其中传动轴采用mass单元和MPC混合建模，其他零部件均采用高阶4面体建立实体网 格。为精确获得密封性能，各接触对使用surface-surface类型的*contact pair 。 2 2011 SIMULIA 中国区用户大会 3.2 密封性能计算结果 基于图1所示模型，按照耐久试验工况施加载荷，得到油底壳法兰密封面变形计算结 果，见图2 。 * 图2 虚拟试验方案1 密封面COPEN *虚拟试验方案1详见表1。 3.3 根本原因分析 如图2所示，渗漏处的法兰密封面变形过大，渗漏点处间隙量高达12 μm 以上，未失效 位置的密封间隙分布在0~9 μm之间。由此可知，加装传动轴后，工作过程中固定点处密封 面变形过大，从而导致机油渗漏故障。 4. 改进措施 4.1 虚拟试验设计 为优化分析方案，需仔细分析试验因子和因子水平，建立虚拟试验正交表。利用鱼骨 图工具，可筛选出三个试验因子，筛选过程本文不复冗述，请感兴趣的读者自行探索。 1）油底壳 油底壳壁面刚度及法兰厚度对密封面的间隙有显著影响，需要对其设计水平加以考量。 同时考虑到设计和生产限制，可以将油底壳壁面设计和法兰厚度分成2种设计水平： 2012 SIMULIA 中国区用户大会 3 • 壁面不加筋/法兰不加厚，见图3.a • 壁面加筋/法兰加厚，见图3.b a b