某發動機機油標尺管開裂原因及對策分析

吳江

摘要：以某發動機機油標尺管為研究對象，針對其臺架耐久試驗中產生的疲勞裂紋，基于其斷口形貌初步確定裂紋源，再通過ABAQUS和FEMFAT軟件進行裂紋源應力及壽命分析，為后樣件試作和臺架試驗驗證提供優化方案，有效節省了對策驗證的周期和成本，同時也通過臺架試驗驗證了有限元分析模型和計算方法的可靠性和有效性。

關鍵詞：機油標尺管;開裂;應力;疲勞壽命

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

發動機一般采用機油液位指示器來確定油底殼內的機油量，由于機油標尺具有結構簡單、成本低廉的優勢，因此在國內外發動機上普遍采用。機油標尺一般通過與機油標尺管配合使用，來完成對發動機油底殼內液面的指示[1]。為對應某發動機機油標尺管在開發耐久試驗中出現的支架開裂課題，針對原有設計方案進行設計改善，通過優化支架加強筋或者變更支架材質，來提升其耐久壽命。本文利用ABAQUS和FEMFAT有限元仿真分析為手段，結合現有疲勞壽命研究理論基礎[2]，針對發動機機油標尺管潛在改善方案在振動耐久條件下的壽命進行分析，來判斷改善后的樣件能否滿足性能要求，尋求優化的改善方案。

1? 課題及改善方向

在某發動機機油標尺管開發階段的振動耐久試驗中，其支架轉角位置出現疲勞開裂，如圖1左所示，根據斷口形貌特征（圖1右），初步斷定裂紋源為位置①和位置②。位置①為支架中間筋位置（主要裂紋源），位置②為R角位置，需要進行對策。

為改善其疲勞耐久性能，通過優化支架處的加強筋形狀和變更支架材料兩個方向進行改善，分別制定了KAI-1（優化加強筋形狀）和KAI-2（變更支架材質）兩種可選的改善方向，在實施臺架耐久前利用ABAQUS和FEMFAT軟件針對改善方案進行應力和耐久壽命的評估，從而選取最有效的對策方案進行驗證。

2? 機油標尺管振動有限元分析

2.1 CAE分析模型對標

為了驗證CAE分析模型計算的準確性和有效性，先通過測試機油標尺管支架斷口1和2位置在發動機整機裝配狀態下，模擬整車前后方向振動試驗條件的位移和應變，按照實際的材料彈性模量換算成應力值，再與ABAQUS軟件平臺分析受拉和受壓兩種狀態下的應力值進行對比，通過其差值來預估模型的計算精度。（圖2、圖3）

表1為標尺管支架CAE計算應力值與實測值的對比結果，可以看出在受壓和受拉兩種狀態下位置1和2的應力仿真精度值均在可接受范圍內，可初步斷定計算模型的準確性有參考價值，基于模型計算結果可以預測改善樣件的振動試驗表現。

2.2 疲勞壽命分析

按如下步驟進行分析：步驟1：進行初始預緊力分析，設定加注管支座的約束條件：發動機缸體斷面固定，初始載荷條件為支架螺栓初始扭力值，從而計算支座初始預應力;步驟2：基于計算所得的支座初始預應力，按照表2所示3個載荷工況（振動掃頻試驗中出現的振動幅值）計算累計的疲勞壽命安全系數，安全系數小于1代表臺架振動試驗中加注管支架薄弱位置存在斷裂的風險。

按照上述設定條件針對改善方案KAI-1和KAI-2在FEMFAT平臺上進行疲勞壽命分析，計算結果如圖4所示，可以看出兩者的安全系數均大于1，但是KAI-1方案在位置2的安全系數接近于1，考慮模擬計算的精度，仍存在振動試驗中出現裂紋的可能性，同時考慮KAI-2方案并未增加零件成本，建議按照改善方案KAI-2進行后續推進。

3? 機油標尺管改善方案臺架試驗驗證

以改善方案KAI-2進行了樣件試作，并按照發動機臺架振動耐久的條件進行了改善效果驗證，試驗后的樣件經過無損探傷檢測后確認無裂紋產生，課題解決。

4? 結論

以某發動機用機油標尺管為研究對象，基于ABAQUS和FEMFAT平臺對各改善方案在工作狀態下的應力分布及耐久壽命進行了模擬分析和計算。分析結果表明：①各改善方案在原斷裂位置的疲勞耐久壽命均有提升，KAI-1和KAI-2在重點位置的疲勞壽命安全系數均大于1;②改善方案KAI-1在位置2疲勞壽命安全系數接近于1，考慮計算偏差，判斷仍存在試驗中出現裂紋的可能性;改善方案KAI-2疲勞壽命安全系數在2以上，判斷問題無。

最后，KAI-2方案經過發動機臺架耐久試驗后無裂紋產生，改善有效，也驗證了我們有限元分析的可靠性，節省了改善方案重復驗證的周期和成本。

參考文獻：

[1]倪偉，龐淑娟.關于發動機機油標尺設計的探討[J].內燃機與動力裝置，2012（4）.

[2]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].華中科技大學出版社，2002.