基于區(qū)域抑制的V形柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)簡化及主軸承座強(qiáng)度分析

崔 楠，劉曉勇，董小瑞，李 達(dá)

(中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院，太原 030051)

機(jī)體是柴油機(jī)的骨架，其支撐與固定著柴油機(jī)的很大部分零部件，且有很多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。主軸承座作為機(jī)體的重要組成部分，處于很復(fù)雜的受力狀態(tài)[1]。對柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行仿真和實驗分析時，重點分析的是主軸承座附近的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況[2-3]。機(jī)體結(jié)構(gòu)的簡化，可以降低機(jī)體的復(fù)雜性，對機(jī)體的仿真分析與實體實驗分析具有重要意義。

中外學(xué)者已經(jīng)對柴油機(jī)主軸承座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。如楊萬里等[4]研究提出了在主軸承座分析中不同工況仿真可提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。鄭康等[5]在研究機(jī)體強(qiáng)度時，得出在保證主軸承座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下可對機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。以上研究主要針對主軸承座結(jié)構(gòu)的分析。此外，中外學(xué)者對于模型簡化也做了許多的研究。如李明[6]和Sun等[7]都對模型的簡化方法做了一定的研究。李真[8]在對飛機(jī)偏心受載加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的研究中提出了用一維和二維的簡單結(jié)構(gòu)來代替復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化的方法。嚴(yán)曉琳等[9]在Abaqus中對風(fēng)力機(jī)塔筒螺栓連接處進(jìn)行了模型的簡化分析。周冬冬等[10]對柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了一定的分析，簡單提出了在保證機(jī)體剛度與強(qiáng)度的情況下，可對機(jī)體進(jìn)行輕量化的設(shè)計。但是，其研究只停留在理論階段，并沒有實質(zhì)性地研究成果。

為此采用區(qū)域抑制的模型簡化方法對機(jī)體模型進(jìn)行一定簡化，并在Abaqus中通過施加相同的位移邊界條件、載荷邊界條件、接觸邊界條件，計算原模型與簡化模型的預(yù)緊工況和最大載荷工況。通過對比原模型與簡化模型的機(jī)體與主軸承蓋的最大主應(yīng)力和主軸承孔變形，希望得到與原模型誤差在5%以內(nèi)的簡化模型。使用簡化模型替代原模型進(jìn)行實驗與仿真分析，一方面可以提高仿真計算時的速度，另一方面也可以降低實體試驗時鑄造機(jī)體的復(fù)雜性。

1 模型簡化

使用的是單隔板的柴油機(jī)機(jī)體模型作為原模型并對其進(jìn)行簡化，采用的是區(qū)域抑制的模型簡化方法。單隔板模型的兩側(cè)是基本對稱的，因此模型的簡化也是同時在兩側(cè)進(jìn)行的。主要對氣缸附近內(nèi)孔凸臺、內(nèi)孔螺栓面、氣缸、機(jī)體外部凹臺、外孔螺栓面及機(jī)體側(cè)面圓六個區(qū)域逐一簡化從而得到最終的簡化模型[11]。

對于區(qū)域抑制的模型簡化方法，主要分四步進(jìn)行：①確定模型的簡化區(qū)域及其邊界循環(huán)；②將簡化區(qū)域的復(fù)雜邊界環(huán)分解為簡單和共面的子循環(huán)；③使用共面環(huán)構(gòu)建簡化新的邊界；④得到簡化模型。

總體來講，該簡化方法是對模型中復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行一定的降維共面處理。該方法流程如圖1所示。

圖1 簡化方法流程圖

對于本文使用的單隔板模型，需要簡化的六個區(qū)域如圖2所示。六個區(qū)域使用區(qū)域抑制的模型簡化方法，對模型中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡化。具體如下：①內(nèi)孔凸臺削平；②內(nèi)孔螺栓面凸起處削平，凹陷處填平；③氣缸內(nèi)各圓柱面直徑統(tǒng)一為氣缸最大直徑；④外部凹臺填平；⑤外孔螺栓面凸起處削平，凹陷處填平；⑥側(cè)面圓孔填平。

圖2 原模型

按順序?qū)δＰ秃喕?，每部分簡化后計算結(jié)果與原模型進(jìn)行對比，確認(rèn)可行性后，得到最終的簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型

2 有限元建模

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

使用的柴油機(jī)單隔板模型由氣缸體、軸瓦、曲軸、主軸承蓋及連接螺栓構(gòu)成。在Abaqus軟件中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時,模型中重點關(guān)注的主軸承座附近的結(jié)構(gòu)、機(jī)體與各部件接觸部位及機(jī)體上復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[12-13]。為了保證足夠的計算精度，對氣缸體、軸瓦、主軸承蓋和連接螺栓采用十節(jié)點二次四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對軸瓦采用八節(jié)點六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，原模型網(wǎng)格劃分如圖4所示，其總單元數(shù)為631 185，總結(jié)點數(shù)為 973 798。對簡化模型采用相同的網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終簡化模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示，最終簡化的模型總單元數(shù)為604 148，總結(jié)點數(shù)為933 079。

圖4 原模型網(wǎng)格劃分

圖5 簡化模型網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件設(shè)置

主軸承座分析包括預(yù)緊與最大載荷工況,邊界條件設(shè)置包括接觸關(guān)系、載荷和邊界約束等設(shè)置：①氣缸體頂部設(shè)置為限制全部的自由度；②機(jī)體外部前后面設(shè)置限制單方向自由度；③曲軸中心點設(shè)置載荷。

3 結(jié)果分析

為了驗證簡化模型的可信度，首先對比原模型與簡化模型的應(yīng)力云圖，其次采取對比相同坐標(biāo)值計算結(jié)果的方式，得到原模型與簡化模型在機(jī)體與主軸承蓋的最大主應(yīng)力和主軸承孔變形的對比數(shù)據(jù)。通過對云圖和對比數(shù)據(jù)的分析來驗證簡化模型的可信度。

3.1 機(jī)體第一主應(yīng)力

圖6 機(jī)體最大主應(yīng)力云圖

在對機(jī)體模型簡化后，機(jī)體上的應(yīng)力會有一定的變化。為了驗證簡化模型的可信度，首先對原模型與簡化模型在預(yù)緊工況和載荷工況下的最大主應(yīng)力云圖進(jìn)行了對比，如圖6所示。其次，在云圖上考察了比較特殊的區(qū)域，通過選取相同坐標(biāo)的方式對簡化模型與原模型進(jìn)行采點，考察區(qū)域如圖7所示，結(jié)果對比如表1、表2所示。

圖7 機(jī)體最大主應(yīng)力考察區(qū)域

表1 預(yù)緊工況機(jī)體最大主應(yīng)力對比

表2 載荷工況機(jī)體最大主應(yīng)力對比

通過最大主應(yīng)力云圖的對比發(fā)現(xiàn)其在主軸承座附近區(qū)域的應(yīng)力云圖基本是相同的，由此可以表明在模型簡化后不會對主軸承座附近的應(yīng)力有大的改變。

為了保證對比結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，在機(jī)體最大主應(yīng)力云圖考察了7個區(qū)域。通過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)為1區(qū)域，在選取相同坐標(biāo)值的情況下分析其應(yīng)力變化，1區(qū)域原模型與簡化模型最大主應(yīng)力在預(yù)緊工況和載荷工況下的誤差分別為4.737%和2.782%，滿足要求的5%的誤差精度。從表可以看出來，原模型與簡化模型的考察區(qū)域最大主應(yīng)力的誤差基本都在5%以內(nèi)，由此可以初步驗證簡化模型的可信度。

3.2 主軸承蓋第一主應(yīng)力

主要研究的是機(jī)體模型簡化對主軸承座附近的影響。主軸承蓋作為機(jī)體的接觸部分，在簡化模型后，會對其產(chǎn)生一定的影響，對其進(jìn)行應(yīng)力分析是必不可少的。

對比原模型與簡化模型在預(yù)緊工況和載荷工況下主軸承蓋的最大主應(yīng)力云圖，如圖8所示，其云圖相似，表明模型的簡化對主軸承蓋的影響不會太大。在主軸承蓋最大主應(yīng)力云圖上考察了8個區(qū)域，如圖9所示。對其進(jìn)行對比如表3、表4所示，其誤差基本控制在2%以內(nèi)，驗證了簡化模型的可信度。

圖8 主軸承蓋最大主應(yīng)力云圖

圖9 主軸承蓋最大主應(yīng)力考察區(qū)域

表3 預(yù)緊工況主軸承蓋最大主應(yīng)力

表4 載荷工況主軸承蓋最大主應(yīng)力

3.3 主軸承孔變形

通過主軸承孔變形圖與失圓度兩方面來分析原模型與簡化模型的主軸承孔變形。

首先，對主軸承孔變形圖進(jìn)行對比，將原模型與簡化模型主軸承孔變形放大100倍，如圖10、圖11所示，發(fā)現(xiàn)其變形基本是相同的。

其次，對原模型與簡化模型主軸承孔的前側(cè)、后側(cè)以及中間三個區(qū)域圓進(jìn)行考察，分別收集三個區(qū)域圓上所有節(jié)點的位移，通過失圓度計算公式得到最后的失圓度，其失圓度對比如表5、表6所示。通過失圓度數(shù)據(jù)的分析，其誤差控制在1%以內(nèi)，由此可以驗證簡化模型的可信度。

圖10 原模型變形圖

圖11 簡化模型變形圖

表5 預(yù)緊工況失圓度對比

表6 載荷工況失圓度對比

通過對比原模型與簡化模型的機(jī)體與主軸承蓋最大主應(yīng)力和主軸承孔變形的情況下，發(fā)現(xiàn)原模型與簡化模型的云圖基本是相似的，計算結(jié)果的誤差基本控制在5%以內(nèi)，由此可以確認(rèn)簡化模型的可信度。通過對模型的簡化及主軸承座強(qiáng)度分析，確認(rèn)了模型簡化方案的可行性，通過使用簡化的模型代替原模型可以減少了機(jī)體上結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這對于實體實驗與仿真計算都有著一定的便利性。

4 結(jié)論

采用基于區(qū)域抑制的模型簡化方法，對柴油機(jī)機(jī)體模型提出了一套簡化方案，使用有限元計算得到了原模型與簡化模型計算結(jié)果，通過對比計算結(jié)果確認(rèn)了其滿足要求的誤差精度，確定了簡化模型的可信度及簡化方案的可行性。該簡化方案具有以下特點。

(1)模型簡化了氣缸附近的結(jié)構(gòu)，降低了劃分網(wǎng)格的復(fù)雜性。

(2)簡化模型相比原模型網(wǎng)格數(shù)目減少，提高了仿真計算速度。

(3)通過使用簡化模型替代原模型進(jìn)行實體實驗分析時，可降低鑄造機(jī)體的困難性。