三維有限元計算分析在柴油機設(shè)計上的應(yīng)用

寧寧　付雨霞

摘 要：本文闡述了三維有限元分析技術(shù)在大功率柴油機零部件設(shè)計、生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，從理論上預(yù)先驗證柴油機各部件的安全性和可靠性，對所設(shè)計的零部件進行強度、壽命分析，以減少樣機在臺架上的試驗時間。

關(guān)鍵詞：CAE；有限元；柴油機

中圖分類號： U664.121 文獻標識碼： A

Abstract： This paper introduces the application of 3D-FEM in parts design and production for large-power diesel engine. It verifies the safety and reliability of parts in advanve， analyses the strength and life of parts and reduce the test time of the sample engine on the test-bed.

Key words： CAE； Finite element； Diesel engine

1 前言

近年來船舶柴油機正朝著大型化、高功率和輕量化等方向發(fā)展，柴油機的結(jié)構(gòu)和性能都有了很大的改進，對零部件的可靠性提出了更加嚴格的要求。柴油機的排放指標不斷提高，運動部件的工作條件越來越惡劣，變形量增大，可靠性下降，出現(xiàn)損傷和斷裂的可能性增大，只憑以往的經(jīng)驗及傳統(tǒng)設(shè)計理論去判定零部件的安全可靠性難以滿足要求。

2 使用三維有限元計算分析的意義

計算機輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）是計算機技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合的新興技術(shù)，其主要是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。CAE的方法有多種，包括邊界元法、有限單元法等，但應(yīng)用最廣泛的是有限單元法，又稱有限元分析。

有限元分析的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個簡單單元的組合，用這些單元的集合來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題。物體被離散后，通過對其中各個單元進行單元分析，最終得到對整個物體的分析結(jié)果，隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷增大。

通過使用有限元分析方法來證實柴油機各部件的安全性和可靠性，對其未來的工作狀態(tài)和運行狀態(tài)進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，縮短樣機的生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品的成本。在柴油機主要零部件設(shè)計中采用有限元分析技術(shù)，可解線性、非線性的靜力、熱力等問題，對所設(shè)計的零部件進行強度、壽命分析，為進一步改進設(shè)計提供理論依據(jù)。

采用有限元分析對產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)流程的影響，如圖1所示。

3 典型零件的三維有限元計算分析

使用專業(yè)分析軟件對一些零部件進行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果得出零部件是否安全的判斷依據(jù)，并輸出分析報告。

3.1 曲軸單拐

曲軸是柴油機中最重要、載荷最大、價格最昂貴的零件之一。在工作中，曲軸承受著氣缸內(nèi)燃氣作用力、往復(fù)慣性力/力矩及離心慣性力/力矩引起的周期性變化的交變負荷。，因此，對曲軸應(yīng)力分析和強度校核是非常重要的。以兩種不同材料（鋼、球鐵）曲軸為對象，進行三維有限元計算（包括機械應(yīng)力、應(yīng)變、位移等）。

圖2是某款曲軸的多種方案圓角部位剖面等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出應(yīng)力的不同升幅與過渡圓角的幾何尺寸有很大的關(guān)系，做多個結(jié)構(gòu)設(shè)計方案論證，進行結(jié)構(gòu)強度、疲勞強度、力學(xué)、溫度和變形的全面分析和運動仿真，大大提高了曲軸的質(zhì)量。

3.2 活塞

活塞是柴油機燃燒室中重要的零件，在工作過程中直接與高溫高壓燃氣接觸，承受著較高的熱負荷，并在缸套內(nèi)進行每分鐘幾百次的往復(fù)運動，由熱負荷和運轉(zhuǎn)工況頻繁變化引起的活塞熱疲勞是影響柴油機可靠性的主要因素。

通過有限元分析方法對活塞進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出活塞的溫度和應(yīng)力分布規(guī)律，對結(jié)構(gòu)進行分析、評價，并進行活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析。冷卻油腔尺寸變小10 mm時，第一道活塞環(huán)溫度分別增加約20 ℃；活塞頂部應(yīng)力水平降低，與活塞銷軸線方向成90°方向的活塞頂面上最大等效應(yīng)力減小為20 MPa；活塞整體應(yīng)力水平升高30 MPa。

活塞綜合受力受熱應(yīng)力云圖，如圖3所示。

3.3 機體主軸承安裝螺孔垂直度

當柴油機采用的是倒掛式主軸承時，主軸承部件承受曲軸傳來周期性的氣體力和慣性力作用，因此對主軸承螺栓要求比較高。若機體主軸承安裝螺孔垂直度加工出現(xiàn)超差，則螺栓產(chǎn)生附加應(yīng)力，降低了疲勞強度。

采用有限元分析計算柴油機主軸承螺栓在承受預(yù)緊力、工作載荷以及偏斜螺栓糾正位置的共同作用下的應(yīng)力分布情況，對比了不同偏斜情況下螺栓應(yīng)力的變化規(guī)律以及疲勞強度。

螺栓的危險點位于螺栓與機體裝配的第一圈螺紋靠近螺栓偏斜方向一側(cè)，導(dǎo)致疲勞破壞的主要原因是螺栓危險點的應(yīng)力水平很高，導(dǎo)致其在脈動載荷作用下的平均應(yīng)力過高，在此較高的平均應(yīng)力上作用較小的應(yīng)力幅（20～25 MPa），也容易導(dǎo)致疲勞破壞。

主軸承螺栓受力應(yīng)力云圖，如圖4所示。

4 結(jié)論

應(yīng)用三維有限元計算技術(shù)，在滿足柴油機結(jié)構(gòu)和性能指標的前提下，對柴油機零部件進行靜態(tài)、動態(tài)、安全性和可靠性分析，及時地進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計或解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題，可以大大減少樣機的制造和試驗時間。三維有限元計算技術(shù)在柴油機行業(yè)的推廣應(yīng)用，必將大大地推動企業(yè)的技術(shù)進步，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。

參考文獻

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