柴油機(jī)機(jī)架靜強(qiáng)度有限元分析

楊 浩 洋

(廣州中船文沖船塢有限公司，廣東 廣州 510000)

柴油機(jī)機(jī)架靜強(qiáng)度有限元分析

楊 浩 洋

(廣州中船文沖船塢有限公司，廣東 廣州 510000)

對(duì)柴油機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度校核，采用了Pro/e三維建模軟件與大型有限元通用軟件ANSYS相結(jié)合的方法。利用Pro/e進(jìn)行三維建模，繪出機(jī)架詳細(xì)的實(shí)體模型，再將其導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，在預(yù)緊工況下施加合理的約束條件與載荷后，得出應(yīng)力云圖，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果表明該機(jī)架的靜強(qiáng)度是安全的。

柴油機(jī),機(jī)架,強(qiáng)度

柴油機(jī)是船舶的重中之重，柴油機(jī)的性能直接影響著船舶的行駛安全。而機(jī)體作為柴油機(jī)的主體部件，它的剛度與強(qiáng)度特性更是保證柴油機(jī)能夠正常工作的重要前提。本文主要是對(duì)柴油機(jī)機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度校核，機(jī)架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣的同時(shí)還要承受各種復(fù)雜的力，因此具有代表性的研究意義。本文應(yīng)用大型有限元通用軟件ANSYS對(duì)K98MC柴油機(jī)機(jī)架進(jìn)行仿真，采用有限元的方法對(duì)K98MC柴油機(jī)機(jī)架在預(yù)緊工況下進(jìn)行變形及應(yīng)力分析。

1 柴油機(jī)機(jī)架的幾何建模

本文的柴油機(jī)機(jī)架的實(shí)體模型是嚴(yán)格按照某設(shè)計(jì)院提供的K98MC柴油機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)圖圖紙尺寸進(jìn)行建立的?？紤]到機(jī)架的基本結(jié)構(gòu)和有限元模型的計(jì)算規(guī)模，對(duì)機(jī)架的部分局部特征等進(jìn)行簡(jiǎn)化，如下：1)局部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。在對(duì)柴油機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析之前，應(yīng)先考慮柴油機(jī)機(jī)架的局部結(jié)構(gòu)從而分析該局部的特性與應(yīng)力分布情況，但綜合考慮到柴油機(jī)機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力，可以將對(duì)整體結(jié)構(gòu)特征影響較小的局部性細(xì)小特征進(jìn)行忽略[1]，例如凸臺(tái)或者細(xì)小的孔、比較狹小的槽、各種縱橫隔板等。2)對(duì)局部結(jié)構(gòu)的某些小細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化。比如，對(duì)機(jī)架上的一些比較小的倒角、圓角可以忽略，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)結(jié)合處與一些關(guān)鍵受力部位則不能忽略，否則會(huì)影響到整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，所以一定不能刪除。具體建模圖如圖1所示。

2 機(jī)架有限元模型的建立

ANSYS軟件除了能夠運(yùn)用自帶的功能建立模型之外，還提供了與其他CAD系統(tǒng)的接口，這樣用戶就能夠選用符合自己需求的CAD系統(tǒng)建立模型，然后通過(guò)通用圖形格式或ANSYS的CAD接口方便地將實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS中。ANSYS軟件可以接受導(dǎo)入的通用圖形格式有IGES，SAT，Parasolid等，本文采用的是Parasolid格式，已經(jīng)能夠順利的導(dǎo)入ANSYS，可以對(duì)其進(jìn)行材料屬性定義了(見(jiàn)表1)。

本文使用的是智能網(wǎng)格劃分控制技術(shù)，是ANSYS軟件提供的智能網(wǎng)格自動(dòng)劃分工具，它運(yùn)用自己的內(nèi)部計(jì)算機(jī)制，在劃分網(wǎng)格的過(guò)程中將其劃分成相對(duì)較為合理的單元。然而單元類型約有兩百多種，按照適用場(chǎng)合的不同可分為結(jié)構(gòu)單元、流體單元、耦合場(chǎng)單元、熱單元、網(wǎng)格劃分輔助單元等，每種單元均有自己唯一的編號(hào)，本文采用的是“Brick 8 node 185”，總共劃分了176 328個(gè)單元和40 355個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 機(jī)架材料物理性能參數(shù)

3 機(jī)架的有限元分析

在ANSYS中，載荷的施加方式可分為兩種：1)將載荷直接施加到實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線和面上；2)將載荷施加到有限元節(jié)點(diǎn)和單元上。總之，無(wú)論如何指定載荷，求解器期望所有載荷均依據(jù)該有限元模型，所以當(dāng)將載荷施加于實(shí)體模型進(jìn)行求解時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)將這些載荷轉(zhuǎn)換到所屬的節(jié)點(diǎn)和單元上[2]。

3.1 機(jī)架約束邊界條件的確定

機(jī)架安裝在機(jī)座之上，同時(shí)承載著氣缸體的重量以及施加的載荷，而機(jī)架與機(jī)座之間靠貫穿螺栓連接起來(lái)。由于貫穿螺栓只限制了Y軸方向的約束，而X軸與Z軸并沒(méi)有完全約束，所以決定將機(jī)架的下表面作為約束邊界條件，限制其各個(gè)方向的位移。

3.2 機(jī)架載荷邊界條件的施加

對(duì)柴油機(jī)機(jī)架所受的載荷進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，本文研究貫穿螺栓預(yù)緊力對(duì)機(jī)架的影響，將貫穿螺栓的預(yù)緊力作為主要載荷邊界條件[3]。對(duì)于柴油機(jī)機(jī)架的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，根據(jù)柴油機(jī)的裝配規(guī)范要求,每根貫穿螺栓承受的單位面積預(yù)緊力為120 MPa，螺栓的直徑為40 mm，將預(yù)緊力換算成均布?jí)毫κ┘釉诰o固螺母環(huán)面相對(duì)應(yīng)的位置上。

4 計(jì)算結(jié)果及其分析

預(yù)緊工況下，運(yùn)用ANSYS軟件分析機(jī)架的應(yīng)力分布情況，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖如圖2所示。

由圖2可以看出，在貫穿螺栓預(yù)緊力的作用下使得機(jī)架在預(yù)緊工況下，應(yīng)力在內(nèi)部間隔板薄壁局部上升，由于門洞導(dǎo)致了機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的削弱，導(dǎo)致了應(yīng)力集中，故應(yīng)力值在門洞處達(dá)到最大，為34.7 MPa。從整體上來(lái)看，機(jī)架外表面的應(yīng)力云圖顏色為淺色，應(yīng)力值相對(duì)較小，而再看內(nèi)部間隔板，應(yīng)力值相對(duì)外表面要大得多，之所以會(huì)這樣是因?yàn)闄C(jī)架上頂面在貫穿螺栓預(yù)緊力和氣缸體重力的作用下，會(huì)有向下的變形，再加上每個(gè)氣缸之間的壁比較薄，造成了應(yīng)力的增加。

表2 預(yù)緊工況下機(jī)架最大等效應(yīng)力值和材料屈服極限MPa

結(jié)合表2的相關(guān)數(shù)據(jù)，再根據(jù)第四強(qiáng)度理論可以得出式(1)：

σ=43.7 MPa<[σ]=213.3 MPa

(1)

機(jī)架的最大等效應(yīng)力值要比該材料的屈服極限低，由此可推出在預(yù)緊工況下機(jī)架滿足其安全強(qiáng)度要求，此時(shí)安全系數(shù)見(jiàn)式(2)：

n=320/43.7=7.3

(2)

此安全系數(shù)高于1.2～2.0，亦可以從另一側(cè)面驗(yàn)證機(jī)架符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以K98MC柴油機(jī)機(jī)架為研究對(duì)象，利用Pro/e三維建模軟件和ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行研究，并對(duì)機(jī)架強(qiáng)度進(jìn)行校核，符合強(qiáng)度要求。針對(duì)在計(jì)算分析工作中存在的問(wèn)題，提出了以下展望：

1)在對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元模型建立時(shí)，為了能夠順利導(dǎo)入ANSYS軟件以及分析的需要，本文沒(méi)有采用完整的機(jī)架模型，而是采用了簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行分析，這難免會(huì)存在些計(jì)算的局限性，考慮到如何在確保計(jì)算精度的同時(shí)還要保證工作計(jì)算量不至于過(guò)大，這有待更深入地研究。

2)本文在對(duì)機(jī)架有限元模型施加載荷時(shí)，只考慮貫穿螺栓預(yù)緊力，僅僅研究在預(yù)緊工況下的應(yīng)力變形并進(jìn)行強(qiáng)度校核，可對(duì)機(jī)架進(jìn)行更加全面的受力分析，分析機(jī)架在爆發(fā)工況下的應(yīng)力變形再進(jìn)行強(qiáng)度校核，為日后的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更多的理論依據(jù)。

3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該柴油機(jī)機(jī)架的應(yīng)力指標(biāo)滿足其材料強(qiáng)度技術(shù)要求，并且安全系數(shù)也比較高，但應(yīng)力水平分布不均勻，不少部分應(yīng)力水平較低，由此可知，機(jī)架的材料冗余程度高，可對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

[1] 程 靜．Pro/Engineer Wildfire 三維造型與虛擬裝配[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013:13-15.

[2] 邵蘊(yùn)秋.ANSYS8.0有限元分析實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004:2-4.

[3] 丁義峰,薛冬新,宋希庚.8L265柴油機(jī)機(jī)體靜強(qiáng)度有限元計(jì)算[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015(8):38-42.

StudyofthestrengthofdieselengineframewithfiniteelementsoftwareANSYS

YangHaoyang

(GuangzhouWenchongDockyardCo.,Ltd,Guangzhou510000,China)

The strength of diesel engine frame, using the method of the combination of Pro/e, a three-dimensional modeling software and large-scale general finite element software ANSYS. To make a three-dimensional modeling on Pro/e, draw a detailed solid model of the frame, and then imported into ANSYS, division the finite element mesh, establish the finite element model, impose the reasonable constraint conditions and load in the application of the pre-tightening condition, draw a stress cloud picture, according to the calculation results to make strength check, the results showed that the static strength of the frame is safe.

diesel engine, frame, strength

O241.82

：A

1009-6825(2017)24-0052-02

2017-06-15

楊浩洋(1981- )，男，工程師