基于ANSYS的輕型170F柴油機機體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

申愛玲

（邵陽學(xué)院機械與能源工程系,湖南 邵陽 422004）

機體是柴油機中最大的箱體鑄造零件，構(gòu)成了整機骨架，承載了柴油機的所有運動件，并且保證各部分工作時的準(zhǔn)確的相對位置。機體上分布著各種加強筋、凸臺、軸承孔等，使得機體具有較復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)；機體工作時承受的應(yīng)力情況十分復(fù)雜，同時影響應(yīng)力變化的因素也較多，因此,應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計方法對機體進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)具有比較大的困難。目前有限元的應(yīng)用越來越廣泛，有限元分析已發(fā)展成為內(nèi)燃機產(chǎn)品開發(fā)中為提高零部件可靠性而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的一種基本手段。本文利用ANSYS有限元技術(shù),對輕型170F柴油機機體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強度計算分析和優(yōu)化改進(jìn)。

1 輕型170F型柴油機機體有限元模型的建立

本文利用Pro/E軟件繪制實體模型，然后將實體模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分及其他處理。實體模型的建立在符合機體實際結(jié)構(gòu)及有限元分析需要前提下，盡可能簡化模型結(jié)構(gòu)，這對最終計算結(jié)果輸出速度及輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性具有重要的影響。輕型170F型柴油機機體是一個經(jīng)鑄造、機械加工后得到的箱體式零件，箱體內(nèi)壁分布加強筋，這些筋對機體強度有重要影響，在實際建模中忽略了機體內(nèi)壁各處倒圓角，曲軸主軸承蓋處螺栓孔是通孔，其對軸承座強度構(gòu)成實際影響，未作忽略，考慮到機體的實際情況及有限元分析的需要，機體作了一些簡化。

為了便于缸蓋螺栓對機體載荷的加載，在機體上缸蓋螺絲孔上繪制出一部分螺栓體，將載荷加載在螺栓截面上，這樣更能反映機體缸蓋螺栓螺絲孔的實際受力狀況。圖1所示為Pro/E中建立的機體模型圖，圖2所示為導(dǎo)入ANSYS后的170F型柴油機機體模型。

圖1 Pro/E建立輕型170F型柴油機機體實體模型

圖2 導(dǎo)入ANSYS后輕型170F型柴油機機體實體模型

圖3 輕型170F型柴油機機體模型網(wǎng)格劃分

2 機體有限元模型的網(wǎng)格劃分

ANSYS10.0有限元軟件提供了200種以上的單元類型，本文輕型170F型柴油機機體材料為HT200，其參數(shù)彈性模量E=1.3×10Pa,泊松比μ=0.26。由于建立的模型中存在尺寸差距較大的部位，因此在劃分網(wǎng)格時不適宜采用網(wǎng)格智能劃分功能（SmartSize），為了使有限元單元的劃分均勻，在劃分網(wǎng)格時采用自由網(wǎng)格劃分，得到機體有限元網(wǎng)格模型如圖3。該模型單元分布較均勻，能夠準(zhǔn)確反映出機體實際情況，劃分后得到61796個節(jié)點和32347個單元，劃分網(wǎng)格較均勻。

3 計算結(jié)果及分析

經(jīng)過ANSYS軟件分析計算在缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力下，可得到機體的位移圖及機體應(yīng)力云圖，如圖4、圖5所示，機體缸套孔應(yīng)力圖如圖6所示，預(yù)緊工況下機體節(jié)點位移情況如圖7所示。

由圖分析可得，輕型170F柴油機機體在最大爆發(fā)壓力時，最大應(yīng)力為80.1MPa，最大位移值為0.04621mm，這些計算值均處于機體材料的安全限度內(nèi)，故原機體強度剛度足夠，但分布在極腳處的應(yīng)力極不均勻，存在應(yīng)力集中的情況，在柴油機工作時的交變應(yīng)力作用下，就可能發(fā)生疲勞斷裂，可以通過改變結(jié)構(gòu)來緩解應(yīng)力集中。

由上分析得，在預(yù)緊工況下缸套孔部位最大應(yīng)力為196MPa，機體上的最大位移值為0.0508mm，實際值必定小于這個求解結(jié)果，缸蓋螺栓比較長，能在最大爆發(fā)壓力作用的瞬間緩沖大部分的沖擊，而且缸套孔外邊緣倒角1mm，這將集中應(yīng)力分散在較大的界面上，機體缸套孔受到的是純粹的擠壓應(yīng)力作用，機體材料的抗壓強度高于抗拉強度。

4 機體結(jié)構(gòu)改進(jìn)與有限元分析

機體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的其中一個目標(biāo)是輕化質(zhì)量，其旨在保證整機主要零部件位置關(guān)系不變的前提下，在機體強度、剛度滿足整機動力需要的前提下，盡可能地減輕機體總重量。這不僅能改善整機的綜合性能，還能降低零件成本。

由前文分析可知，機體結(jié)構(gòu)輕量化的余地較大，機體上最大應(yīng)力僅為80.1MPa，最大位移值僅為0.04621mm，鑒于有限元分析得出的應(yīng)力云圖和機體材料屬性，在載荷不變的情況下將機體結(jié)構(gòu)作如下改變：

（1）將原來所有6mm的機體厚度全改為5mm；

（2）將曲軸箱前蓋凸臺由原來的2mm改為4mm，以減小最大應(yīng)變量；

（3）將機體內(nèi)壁高度10mm的加強筋改為8mm；

（4）將機體后部壁厚由5mm改為4mm；

（5）將油底殼厚度由4mm改為3mm；

（6）將機腳總支撐面積減小50%；

（7）增大機腳處的過渡圓角，將原來的6mm改為10mm；

（8）將齒輪箱殼厚度由5mm改為4mm。

其余部分均不做任何改變，再經(jīng)過ANSYS分析軟件求解得出圖8機體應(yīng)變云圖及圖9機體應(yīng)力云圖。

由圖8、圖9得知，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)后機體各處應(yīng)力應(yīng)變分布較改進(jìn)前均勻，應(yīng)力應(yīng)變有所增大，最大應(yīng)力增大為145.254MPa，最大位移增大為0.057865mm，但均處于材料強度的許可限度以內(nèi)，對機體強度并無實質(zhì)性的影響。利用Pro/E軟件計算得知，改進(jìn)前模型質(zhì)量為10.746kg，改進(jìn)后模型質(zhì)量為9.464kg，機體總質(zhì)量減輕1.282kg。

5 結(jié)語

應(yīng)用ANSYS有限元分析方法，計算出了輕型170F柴油機機體在最高爆發(fā)工況和預(yù)緊工況的位移、應(yīng)力、應(yīng)變云圖；得到了輕型170F機體設(shè)計中的一些薄弱環(huán)節(jié)；為提高輕型170F機體的強度、及進(jìn)一步改進(jìn)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

[1]袁兆成.內(nèi)燃機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]張朝暉.ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.