船用柴油机机体动态应力分析的前处理.pdf

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1、第40卷第1期2011年02月船海丁程SHlP8．(X’卜’ANEN(jINEERINGV01．40No．1Fcb．2011船用柴油机机体动态应力分析的前处理高卫娟，向阳。王庆来，田磊(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)摘要：以HyperMcsh及Ansys软件为平台。对6I。16／24犁船用柴油机机体进行结构简化。通过手动与自动相结合的方式建立有限冗模型。分析内燃机存运转时机体的实际受力，选择载衙加载方式。定义边界条件，为动态应力分析、强度校核及结构优化设计等提供求解及分析模型。关键词：柴油机机体；动态应力；有限元

2、分析中图分类号：U664．121．2文献标志码：A文章编号：167卜7953(2011)01—0073一04柴油机机体是整个柴油机的骨架和基础结构，在内燃机运转时承受复杂载荷，包括各缸内气体对气缸盖底面和气缸壁的均布气体压力、经活塞作用于各气缸壁的侧推力、经曲轴加在各主轴承上的力以及支架对内燃机的支承反力和反力矩。这些力的大小、方向随工况和曲轴转角不断变化，有些力的作用点也在不断变化。机体的可靠性对整个柴油机的性能有着重要的影响。单纯对机体进行静态的应力分析已无法满足现阶段柴油机设计的需求．所以对机体进行动态应力分析很重要u2

3、。当

4、今有限元计算的方法已越来越多地应用于内燃机的设计，在计算过程越来越自动化的前提下，计算结果的准确程度主要依赖于前处理过程进行的是否得当一j。6I。16／24型柴油机机体结构复杂、模型规模较大，以HyperMcsh及ANSYS软件为平台。将机体模型经过合理的简化后在HyperMesh中建立有限元模型；考虑到将在Ansys中进行求解及后处理．故将载荷的施加及边界条件的定义在Ansys中进行。1模型处理与简化在i维CAD造型软件PR()／E的T作平台上创建6I，16／24型柴油机机体及轴承盖、连接螺栓等零件的模型，根据各零件模型的隶属关系

5、，将相_芙零部件装配成体，见罔l。收稿日期：2009—12—28修回日期：20lo—o卜25作者简介：高Ji娟(1983一)，女．硕t：乍。研究方向：振动与噪声控制技术E-啪iI：smilega0703@yah00．cn图l机体三维实体模型考虑到后续机体受力分析、有限元模型的生成以及载倚加载等问题．在保证计算精度的前提下。利用HyperMesh软件对机体模型进行以下处理与简化。1)去除尺寸较小的孔和倒角。但由于气缸及曲轴轴承座属于受力毫点关注部位．故机体与气缸套装配处、曲轴轴承座都爆量保持结构不变。2)去除对结构影响甚小的凸台或【u

6、1陷。3)忽略高压油泵与机体之间的装配力及动态作用，将高压油泵装配面简化为平面。4)去除机体上表面气门顶杆孔。5)为简化计算及肖约计箅资源．将曲轴轴承座与机体在公共面处组合成单一体。以此表示两者问连接火系。6)柴油机通过与油底壳相连的4个弹性减振器闻定在基腾上，为便于后续对机体建立约束．将油底壳与机体相连接处的结构与机体组合成单一体，采用『司种材料和物性参数进行计算。7)前端箱体质馈较大．会对机体模态产生较大影响．故机体动态应力分析时加入前端箱体。73第1期船海t程第40卷2有限元模型的建立在有限元分析前处理软件HyperMcsh中

7、，首先对主要关注部位(气缸套装配处、曲轴轴承座、各处连接螺孔等)进行手工划分面网格。然后对机体及前端箱体分别划分体网格。综合考虑计算精度及计算规模，经过多次试验划分，得到比较合适的网格模型，并且在机体与前端箱体连接处手动连接节点，使两者问能够通过节点进行力的传递。将得到的网格模型(见图2)导人有限元分析软件Ansys中。图2机体有限元模型3边界条件定义3．1示功图柴油机在转速为1000r／min，单缸功率90kW的T况下运转，示功图见图3，发火缸号顺序：1—2—4—6—5—3。各类型载荷均在Ansys中采用Table形式施加，以表示

8、载荷随时间的变化历程。曲柄转角／rA图3示功图3．2轴承力求解及加载3．2．1轴承力根据曲柄连杆机构受力分析．通过计算得出各档主轴承水平和垂直分力i4。，运用MatIab编程绘图．图4为第4缸主轴承受力曲线。3．2．2加载方式主轴承座上受力大小和方位随曲轴转角变7415010()z50薹ok一50一100—150曲俩转角／℃A曲柄转厢／℃Aa)f．随曲俩转变化b)，i随曲俩转角变化图4第4缸轴承力(水平分力与垂直分力)化。首先在主轴承座上、下表面建立RBE2单元，用于连接轴承座表面所有节点至轴承中心位置的一点C；然后把主轴承力分解成

9、水平方向和垂直方向的分力，冉加载到中心位置C点上[5]。3．3侧推力求解及加载3。3．1侧推力根据曲柄连杆机构受力分析计算得到各缸侧推力[6

10、，运用Matlab编程绘图，图5为第4缸侧推力曲线。曲柄转角／℃A、图5第．I缸侧推力3．3