柴油机机体-主轴承盖接触面有限元分析.pdf

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1、龙哲张翼苗会：柴油机机体一主轴承盖接触面有限元分析33柴油机机体一主轴承盖接触面有限元分析FiniteElementAnalysisforDieselEngineBlockMainBearingCapInterface龙哲张翼苗会(中北大学)(摘要】针对某V6大功率柴油机机体在与主轴承盖接触的部位产生疲劳裂纹的现象，运用Pro／E特征建模技术建立起三维实体模型，然后利用ANSA进行有限元模型建立，最后利用AN—SYS对其在预紧和爆发两种工况下的应力、变形和选定接触面上摩擦力的分布情况进行了分析计算，预测了机体接触面上的危险位置并与实

2、际情况进行了对比。验证了模型的精确程度，为寻找机体结构强度薄弱区域提供了参考方法，为机体结构的改进提供了理论依据。[关键词]柴油机机体主轴承盖有限元法结构强度0引言机体作为柴油机中的主要零部件之一，是安装附件及其他零部件的基础。机体结构的设计必须保证它有足够的强度和刚度，既不能产生裂纹，也不能出现过大变形⋯。为了减轻整机质量，机体常采用较为轻质但是强度较小的材料铸造而成，比如铸铝合金。然而经过长时间高强度的运行，机体容易在与主轴承盖的接触部位产生疲劳裂纹，这将直接影响发动机整机性能和可靠性。有限元法作为一种通用的数值分析方法，是目前

3、研究复杂结构受力问题最为可靠和有效的方法心J。本文以某v6大功率柴油机为原型，利用三维建模软件Pro／E对其进行实体几何建模，并利用CAE前处理软件ANSA建立有限元模型，根据原型柴油机的工作情况对其合理施加边界条件，最后利用有限元分析软件ANSYS对其进行有限元分析计算。最后得到机体在螺栓预紧工况和缸内爆发工况两种情况下的应力、变形情况及机体一主轴承盖接触面上摩擦力的大小，得出机体在与主轴承盖接触部位处的应力集中区域，从而为机体在该部位的改进和优化设计工作提供参考¨J。1实体模型的建立实体模型建立合理与否对接下来的网格划分以及最终

4、计算结果的准确性具有重要的影响H’。为了保证较高的模拟相似程度，本文根据原型柴油机的设计图纸，利用Pro／E分别建立了缸盖、机体、缸盖螺栓、缸套、主轴承盖、主轴承盖螺栓、轴瓦和曲轴的三维实体模型。同时，为了有效减小后续计算的规模，本文选取所研究柴油机中部的一列完整气缸，再根据其对称性加上其两侧的两列半缸，这其中包括了两个主轴承盖。把对分析结果影响不大的油道和水套等微小复杂结构做了相应的简化，并且把曲轴简化为直轴。将上述零件的实体模型进行装配，得到机体一主轴承盖组合实体模型如图1所示。图l机体一主轴承盖组合结构实体模型图!机体主轴承盖

5、组合结构有限元模型2有限元网格的划分及考察位置的内燃机与配件2014年第11期细化处理为了区分不同零件所用的不同材料，首先建立三个材料组，采用合金钢42CrMo材料的有主轴承盖、轴瓦、曲轴和螺栓，采用铸铝ZL702A材料的有机体和缸盖，采用高级氮化钢38CrMoAl材料的是缸套。其中各部分的材料特性参数如表1所示。表1各材料的性能参数材料ZL702A42CrMo38CrMoAl抗拉强度290～320MP81080MPa980MPa屈服强度178．6MPa930MPa835MPa弹性模量68900MPa206000MPa210000M

6、Pa密度2．7e一9∥inm37．82e一9∥mm37．85e一9∥m3泊松比O．30．280．3为了既能有效控制网格的规模又能满足计算的精度要求，对组合结构中的不同零部件不同部位采用不同的单元长度，并且对机体和前侧主轴承盖进行分区划分。重点划分区域为所选定机体一主轴承盖接触的两个相对应方形区域，其网格单元长度从两个相互接触面上的0．2mm分别往其余各边界过渡到10mm。为了能够对机体接触面上的各参数进行定量的分析，在机体接触面上选定一条穿过两螺栓孔中心位于接触面正中位置的中间界线作为考察直线。本文中的有限元模型采用的是四节点四面体

7、solidl85单元，最终得到体网格数为2019468个，节点数为458208个，机体一主轴承盖组合结构有限元模型如图2所示。所选定机体一主轴承盖接触的两个加密方形区域的网格划分如图3所示，机体接触面上的考察直线与有限元模型坐标位置的对应关系如图4所示。图3加密方形区域网格划分图4接触面与坐标位置的对应关系3边界条件的设定有限元理论指出，模型的建立越真实，计算越准确；边界条件施加越符合实际，结果越精确∞o。3．1接触的建立各种力在部件之间的传递，需要通过装配结合面上的接触对来实现，为了能充分的体现各部件之间的接触关系，本文共建立了2

8、0个接触对。其中包括缸盖一缸套的接触一对，机体一缸套的接触二对，机体一轴瓦的接触一对，主轴承盖一轴瓦的接触一对，曲轴一轴瓦的接触一对，机体一主轴承盖的接触一对，螺栓各接触共十二对。接触对上的法向接触刚度均为0．1，再结合实际接触情况将