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车用柴油机机体的有限元分析

发布于:2016-11-15 20:27
有限元分析

      车用采油机机体是发动机的骨架,为了保证活塞、连杆、曲轴及凸轮轴等高速运动件运行的可靠性、耐久性和安全性,要求机体不仅要有足够的几何精度,而且本身应具备足够的刚度、强度和动力特性。近年来,不断提高的爆发压力和对柴油机振动噪声的限制,对车用柴油机机体的静态强度和动态特性设计提出了更加严格的要求。
      采用有限元分析和实验研究相结合的方法,可对设计阶段的柴油机进行机体强度分析和结构优化。用有限元法预测机体强度,根据实验结果验证有限元模型的准确性,进而修正模型,改进机体结构。
      本研究采用机体有限元整体分析与子模型分析相结合技术,建立某车用柴油机机体三维实体模型和有限元模型,以大型非线性有限元AppABAQUS为分析平台,计算原机机体的静态强度,查找气缸体的薄弱部位,对改进前后的水套根部子模型进行疲劳分析,结合应力测试实验进一步验证机体结构改进方案。
      应用ABAQUSApp对某直列六缸车用柴油机机体进行静态强度计算,重点考察气缸体进气侧水套根部应力分布情况。
      为了控制有限元计算规模,采用Pro/EApp和前处理AppHyperMesh分别对原机第4、6缸的气缸体、气缸盖、缸盖螺栓及第4、5缸进气侧水套根部进行三维实体建模和网格划分。为了保证有限元分析结果的准确性,仅忽略不起主要作用的倒角和过渡弧,对计算精度影响小的螺钉孔和销钉孔进行适当简化。分析采用10节点的四面体单元,划分网格后的气缸体有限元模型及子模型。载荷与边界条件(1)约束气缸体下端与框架接触处Y方向的自由度。(2)在第5缸缸盖火力面上施加气体爆发压力16. 5 M Pa。(3)对缸盖主螺栓施加最大预紧力112 kN。
      有限元静强度计算结果表明气缸体水套根部存在明显的应力集中,为了增加此处的强度,对气缸体进行结构改进设计,将进、排气侧水套根部交接处的圆弧半径加大,并增设两条加强筋。
      为了考察改进效果,对1~3缸柴油机气缸体进行有限元计算,采用疲劳分析AppMSC. Fatige对改进前后的排气侧水套根部子模型进行高循环疲劳分析。
      对原机第1~3缸的气缸体、气缸盖、缸盖螺栓及改进前后的排气侧水套根部进行三维实体建模和网格划分。取包含水套根部的应力集中区域建立子模型,采用1.5~2 mm的有限元网格密度,以获得较为精确的计算结果。气缸体有限元模型采用10节点四面体单元,缸盖采用10节点和4节点混合四面体单元。
      采用螺栓预紧力和气体载荷计算工况,计算13.5,16.5及18.0 MPa,3种不同最大爆发压力时的机体应力分布情况。
      可见,随着最大爆发压力的升高,水套根部第一主应力的最大值是升高的。水套根部加筋改进后,3种爆发压力作用下的最大主应力均有较大幅度的降低。根据子模型计算结果,采用MSC.Fatige。App分别计算3种不同爆发压力下的排气侧水套根部疲劳安全系数。以最大爆发压力16. 5 MPa为例,计算所得原机与改进后子模型的疲劳安全系数对比。
      原机子模型在最大爆发压力为13. 5 MPa时的疲劳安全系数为1.22,当爆发压力提高为16.5 MPa和18.0 MPa时,此处疲劳安全系数分别降至1.08和1.02,小于高周疲劳分析的最小安全系数1.10,趋于不安全。采用加筋改进方案后,上述疲劳安全系数分别升至1.44和1.36,趋于安全。
      有限元计算表明,机体第一主应力在水套根部存在明显的应力集中现象,高循环疲劳分析显示高爆压时水套根部疲劳安全系数不足,存在安全隐患。加筋改进方案能够有效地降低水套根部应力,将16.5 MPa,18.0 MPa。两种高爆发压力下的疲劳安全系数提高至安全范围。第5缸加压时原机进气侧水套根部测试最大应力值与有限元计算结果仅差2.7%,验证了有限元模型的准确性。气缸体加筋改进后,水套根部交接位置应力值降低11%-46%,整体刚度和强度有所加强。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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