150柴油機氣缸蓋連接螺栓預緊力施加的有限元及試驗分析

（1.山西省特種設備監(jiān)督檢驗所，.中北大學山西太原030051）

150柴油機氣缸蓋連接螺栓預緊力施加的有限元及試驗分析

問來彥1，2，李坤2
（1.山西省特種設備監(jiān)督檢驗所，2.中北大學山西太原030051）

對發(fā)動機機體進行結構強度的有限元分析的時，發(fā)動機氣缸蓋連接螺栓預緊力的施加方式及施加位置對有限元分析結果的精確度往往具有重要的影響。文章結合某150柴油機進行性能強化數值模擬計算，對該柴油機氣缸蓋連接螺栓預緊力采用不同位置施加，并用實驗結果驗證對比了各方案，得到了合理的方案，為螺栓預緊力的模擬施加提供了可借鑒的幫助。

發(fā)動機 螺栓 有限元方法 試驗

1 前言

螺栓連接是機械工程中應用最廣泛的連接方式之一。發(fā)動機上的一些高強度螺栓，如氣缸蓋和機體的連接螺栓等，它們與氣缸蓋一起，承受周期性變化的交變載荷。在對發(fā)動機進行結構強度的有限元分析時，螺栓載荷的處理往往會影響到有限元分析結果的精確度及可信度，尤其對于大功率柴油機來說更是如此。針對此現象，本文結合某6V150型柴油機改進設計的數值計算過程，采用CAD/CAE軟件I-DEAS建立了機體及相關零件的三維實體模型，同時利用有限元分析軟件ANSYS仿真計算了螺栓載荷的不同施加部位時候的應力值。并在機體上布置應變片，測量了發(fā)動機在預緊和工作過程中相關部位的最大應力和應變，以此來驗證螺栓的預緊力的合理施加部位，對于有限元分析中螺栓預緊力的施加具有指導作用。

2 建立計算模型

在理論上，進行有限元分析過程中，模型幾何形狀越接近實物分析結果將越準確。本文即采用CAD/CAE軟件I-DEAS建立幾何模型，但由于局部的圓孔、倒角之類對有限元分析結果影響不大，但卻嚴重影響模型網格的生成及計算速度，所以在不影響分析結果的前提下，對這些部位進行了適當的簡化。所建立的機體連接并剖分網格后實體模型如圖1所示。螺紋部分的幾何形狀十分復雜，它與螺母的接觸面是一個空間螺旋面，由于螺紋的升角很小，在計算模型中忽略了螺紋升角的影響，利用一系列標準螺牙代替連續(xù)螺紋，螺栓模型如圖2，同時還建立了包括軸承軸瓦等小部件在零件模型，主軸承軸瓦如圖3所示。

圖1 機體及相關零件連接后的模型

圖2 缸蓋螺栓的實體模型

通常螺栓有限元模型采取兩種處理方式進行處理，即螺栓作剛性元處理和螺栓作梁單元處理[1]。對于剛性元簡化法，剛性單元增大了螺栓孔周圍的剛度，減小了螺栓本身的質量。在這種處理方式中，被連接件的接縫處除了由剛性單元約束的那幾個節(jié)點外，其余節(jié)點均有可能產生與兩塊被連接件的節(jié)點相互進入或脫離的情況，即連接剛度在螺栓孔附近極大，而非螺栓孔附近剛度為零，這不符合實際情況。對于梁單元簡化法，使用梁單元模擬實際的螺栓，并采用耦合自由度的辦法來體現螺栓的連接作用，這樣可以大量節(jié)約計算機資源，但在自由度耦合處附近的應力、應變分布計算結果不正確。另外也沒有解決連接件接縫處的節(jié)點互相脫離或進入這一與實際情況不符的問題。為了更符合實際情況，并精確得到螺栓零件的應力、應變分布，本文建立了螺栓的三維彈塑性模型，采用接觸分析法對螺栓的螺紋連接進行有限元計算。接觸問題屬于狀態(tài)非線性分析[2～3]，需要較多的計算資源，因此采用自由網格和六面體網格混合的方式來控制網格數量和質量。

圖3 主軸瓦的實體模型

3 計算方案及邊界條件

（1）本文主要分析的是螺栓力的施加部位及螺栓的長度對計算結果的影響，所以指定的計算方案參見表1。

表1 不同計算方案列表

（2）位移邊界條件包括：機體的剛體位移約束；機體、缸套、氣缸蓋、曲軸、氣缸墊、主軸承蓋的切斷面的對稱位移約束[4]。本模型中建立了氣缸蓋與氣缸墊、缸套與氣缸墊、缸套與機體、機體與主軸承蓋、曲軸與機體、曲軸與主軸承蓋，以及螺栓與機體、缸蓋和主軸承蓋之間的接觸邊界條件，計算時程序根據接觸狀態(tài)在接觸面上傳遞作用力，完成接觸模擬[5]。

（3）力邊界條件：機體、缸套和主軸承蓋所承受的螺栓力主要為氣缸蓋螺栓和主軸承蓋螺栓預緊力，以及主軸瓦對機體主軸承座的裝配過盈力，參見表2。氣缸體除承受預緊工況時的載荷外還承受氣缸的爆發(fā)壓力、活塞側壓力，連桿力和曲柄連桿系統(tǒng)的往復慣性力，參見表3。

表2 各螺栓預緊力的大小

表3 左側第二缸爆發(fā)時各缸受力情況

4 計算結果與分析

通過計算，得到了機體整體應力云圖如圖4所示。在預緊工況及發(fā)動機爆發(fā)后分別選取了粘貼應變片位置的應力值，統(tǒng)計結果如圖5和圖6所示。從結果可以看到爆發(fā)工況下機體同一部位的受力要遠大于預緊工況下的受力；無論是在預緊工況還是在發(fā)動機爆發(fā)工況，螺栓預緊力施加位置的不同均使得機體同一位置應力有較明顯不同。

圖4 爆發(fā)工況機體最大主應力云圖

圖5 預緊工況下機體主應力計算值

圖6 爆發(fā)壓力工況下機體主應力計算值

5 試驗測量布置及結果

為驗證具體哪一種螺紋的約束使得計算結果更為真實，對機體局部進行試驗測量，測出相關位置的應變，進而計算出該位置的應力值。試驗機體應變片的布置位置與導線的布置如圖7所示。試驗分別記錄了發(fā)動機預緊工況下的局部應力，同時記錄了發(fā)動機工作后相應位置的最大應力。經過多次試驗后，處理完實驗數據，試驗結果如圖8所示。

6 結束語

（1）無論是在預緊工況還是在爆發(fā)工況，螺紋預緊力的施加位置不同對機體同一部位的應力值產生較為明顯的影響；相比預緊工況，在爆發(fā)工況下的有限元計算結果與實驗測量值更為接近；

（2）將導致機體的同一部位的應力明顯不同；相對于預緊工況來說，在爆發(fā)工況下有限元仿真的結果與實際實驗結果更加接近；

圖7 爆發(fā)壓力工況下機體主應力計算值

（3）在機體螺栓孔下1/3處作為螺紋承力位置施加螺栓預緊力得到的結果與實驗值更為接近。

1吳新躍，朱石堅.FE模態(tài)計算中對螺栓連接結構的合理建模[J].海軍工程學院學報，1998，10(1)：65-69.

2 Lehnhoff T F,Ko K I,McKay M L.Member Stiffness and Contact Pressure Distribution of Bolted Joints[J]. ASME Journal of Mechanical Design,1994,116(2): 550-557.

3 Zou W S,Zuo Z X,Feng H H,et al.Application of the Sub-model Method in the Engine Strength Analysis[J]. Journal of Beijing Institute of Technology,2001,10(3): 32-36.

4 Koch F,Decker P,Gülpen R,et al.Cylinder Liner Deformation Analysis-Measurements and Calculations[C].SAE 980567.

5 Grogeneweg M A,Ahuja R,Pfeiffer R F,et al. Current Applications of Finite Element Analysis to Diesel Engine Component Design[C].SAE 870813.

Experimental and Finite Element Analysis of Pre-Tightening Force on Cylinder Head Bolt of 150 Series Diesel Engine

Wen Laiyan1,2Li Kun2
（1.Special Equipment Inspection Institute of Shanxi Province,Taiyuan,030051,China 2.North University of China,Taiyuan,030051,China)

The applied manner and location of t pre-tightening force for engine cylinder head bolts have an important effect on analyzing the structural strength of engine block by using finite element method. A numerical simulation of performance optimization is carried out for 150 Series heavy-duty diesel engine with different locations of applied pre-tightening force for the cylinder head bolts.By verifying the calculation results with experimental results,a proper program for simulation of applying pre-tightening force is obtained.

engine,bolt,finite element method,experiment

圖8 機體主應力實測值

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.003

來稿日期：2010-11-01

問來彥（1986-），女，工程師，碩士研究生，主要研究方向為機械分析及探傷。