（轮机工程专业论文）ca4d32柴油机机体组件静强度分析.pdf

摘要 柴油机的零部件中，机体是铸造的箱体零件，构成柴油机的骨架，支撑和固 定着柴油机的所有运动部件，使它们在工作时保持相对准确的位置。其可靠性对 整个柴油机的性能有着重要的影响，在设计过程中必须进行深入地分析和计算， 对其结构强度和刚度有一个较为准确的估计，以便合理地改进和优化设计方案， 取得令人满意的设计效果。 柴油机机体的强度和刚度研究一直是柴油机零部件研究的难题，不仅因为它 尺寸大，而且受力复杂。建立机体的计算模型有一定的困难。随着计算机软硬件 技术的发展，对机体进行有限元分析已成为辅助设计的重要手段。 有限元法是一种通用的数值分析方法，是目前研究复杂结构受力问题最为可 靠和有效的手段。本文以c a 4 d 3 2 柴油机机体为研究对象，利用有限元法对整个 机体组件进行了应力场与位移场的计算分析，计算工况选为预紧和爆发两种工况。 边界条件的处理是有限元分析的一个重要环节，其直接决定求解精度。本文 采用了预紧单元来模拟各连接螺栓的预紧力，同时在各零件间的配合表面设置大 量接触单元，以获得更加合理的结果。最后，利用有限元软件所特有的后处理模 块找出危险部位的应力变化规律和相应部位的变形数据。强度校核的结果表明所 有机体组件的静强度是安全的。 本文最后总结了存在的一些问题，为机体的结构设计及改进方案的可行性提 供了重要依据。 关t 词：柴油机；机体：有限元；静曩度 t h es t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i so fc a 4 d 3 2d i e s e le n g i n eb l o c k s u b a s s e m b l y a b s t r a c t i nt h ep a r t so f d i e s e le n g i n e ，t h ee n g i n eb l o c ka sac a b i n e tp a r to f c a s t i n gc o m p o s e s t h ef r a m e w o r ko fd i e s e le n g i n e ，s u p p o r t sa n df i x e sa l lt h em o v i n gc o m p o n e n t sa n d a c c e s s o r i e s ，m e a n w h i l em a k e st h e mk e 印t h ef i tl o c a t i o ni no p e r a t i o n i t sr e l i a b i l i t yh a s a ni m p o r t a n te f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l ed i e s e le n g i n e d u r i n gt h ec o u l s eo f d e s i g n ，i no r d e rt oi m p r o v ea n do p t i m i z ed e s i g np r o j e c ta n da c h i e v es a t i s f i e dd e s i g n e f f e c t ，w em u s ta n a l y z ea n dc o m p m e i ti nd e p t ha n dh a v ea r e l a t i v e l ya c c u r a t ee s t i m a t e t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fe n g i n eb l o c ka r et h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fs t u d yi nt h e p a r t so fd i e s e le n g i n ea l la l o n g b e c a u s eo fi t sl a r g es i z ea n dc o m p l i c a t e df o r c e c o n d i t i o n s ，w eh a v es o m ed i f f i c u l t yi nt h ec o m p u t a t i o nm o d e l se s t a b l i s h m e n t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ef e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) o f e n g i n eb l o c kb e c o m e sa ni m p o r t a n tm e a n so f a s s i s t a n td e s i g n t h ef e m ( f m i t ee l e m e mm e t h o d ) i sac o m m o nn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ，a n di t i st h em o s tr e l i a b l ea n de f f e c t i v em e t h o do fs t u d y i n gt h es t r e s sp r o b l e mo fc o m p l e x c o n s t r u c t i o n c h o o s i n gt h ee n g i n eb l o c ko f4 d 3 2d i e s e le n g i n ea st h es t u d yo b j e c t ，t h i s t h e s i sc o m p u t e sa n da n a l y s e st h es t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l do ft h ee n g i n eb l o c k s u b a s s e m b l y t h ec o m p u t a t i o nc o n d i t i o n sa r et h ep r e t e n s i o nc o n d i t i o na n dt h eb u r s t c o n d i t i o n t h ep r o c e s so fb o u n d a r yc o n d i t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt h ef e a ，w h i c hs t r a i g h t d e t e r m i n e st h es o l v i n gp r e c i s i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e sp r e t e n s i o ne l e m e n tt os i m u l a t e t h ep r e t e n s i o nf o r c eo fe a c hc o n n e c t i n gb o l ta n ds e t su pal o to fc o n t a c te l e m e n t si nt h e m a t c hs u r f a c eo f p a r t s ，s oo b t a i n sm o r er e a s o n a b l er e s u l t s e v e n t u a l l y , w ef m dt h es t r e s s v a r i a b l er u l eo ft h ed a n g e r o u sp o s i t i o na n dt h ed e f o r m a t i o nd a t ao fc o r r e s p o n d i n g p o s i t i o nu s i n gt h es p e c i f i cp o s tp r o c e s s i n go ff e as o f t w a r e t h er e s u l to fs t r e n g t h c h e c k i n gi n d i c a t e st h a ta l lt h ee n g i n eb l o c ks u b a s s e m b l ya r es e c u r e i i i nt h el a s t ，t h i st h e s i ss 1 l r n su ps o m ee x i s tp r o b l e m s ，w h i c hp r o v i d e si m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rt h ef e a s i b i l i t yo f e n g i n eb l o c k ss t r u c t u r ed e s i g na n di m p r o v e m e n tp r o j e c t k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e n g i n eb l o c k ；f m i t ee l e m e n t ；s t a t i cs t r e n g t h l i i 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ! 丛堕2 柴迪扭扭链组住登强廑盆圭匠：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：桷l 钫如。年j 月丛甘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于；保密口 不保密矾请在以上方框内打“”) 论文作者签名：匆s c n 导师签名：螽。 j 口群 日期：汹年3 月凋乜l v 、 ， 第1 章绪论 内燃机的发展已有一百多年的历史，通过长期的不断改进和提高，已经发展 得比较完善。由于它的热效率高、适应性好，功率范围宽广，已广泛用于工业、 农业、交通运输业和国防建设事业。 1 1 内燃机结构强度研究概述 内燃机结构强度研究可以概括为：应用现代力学( 试验力学) 的研究成果， 来研究内燃机主要零部件的强度( 或者说应力状态) ，从而为最佳化结构设计提供 科学依据。 内燃机的结构强度研究首先是在大型强载柴油机中开展起来的，因为这类柴 油机一般来说不仅承载负荷大，而且批量小，制造周期长，成本昂贵。从人力、 物力和时间等各方面的经济性讲都要求研制工作“一次成功”。这就必然要求，在 样机前的设计过程中，对一系列关键零部件进行各种模型研究以及单缸试验等。 对于大批量生产的中小型内燃机，过去一般说来强化程度不高，可以根据经验设 计，但是随着中小型内燃机不断向高速高功率强化发展，情况已经发生了重大变 化。对于热负荷和机械负荷都很高的中小型强化内燃机，它所发生的问题总是错 综复杂的。还像过去那样，直接通过样机的综合试验来考察它，事实上已是不可 能的了。这就要求我们建立新的设计思想，必须把结构强度研究放在研制工作的 重要地位上。 内燃机结构强度研究的重要作用可概括为三点： 1 ) 通过对关键零部件的强度研究，为设计其合理的结构型式提出依据，或通 过各种方案比较，提出最佳方案； 2 ) 当零部件发生故障和破坏时，研究其破坏形式和原因，提出防止再破坏的 改进措施； 3 ) 通过大量的结构强度研究，得以制定新的产品设计规范和计算方法，选择 合理的安全系数和许用应力。显然，在载荷和应力分析日益精确的基础上，可以 有效地选择最低安全系数值。 一句话，内燃机结构强度研究的作用，就是在既定的性能要求下，保证充分 的寿命和可靠性，而又最大限度地节约材料，这就是所谓“最佳化设计”，“最低 安全系数”或“最佳方案”的涵义吐 1 2 现代设计理论和方法 近年来由于市场竞争激烈，许多企业力图通过提高转速和增压等措施来提高 内燃机的动力指标，改善经济性和排放。而在对普通非增压内燃机实施增压改进 时，首先考虑的是原机主要零部件的结构强度是否满足增压要求。这便要求内燃 机厂商以自己的技术积累结合国内外的先进技术来提高本厂的设计、制造水平。 由于市场竞争剧烈，要不断有新产品问世，产品开发周期应该缩短，以满足市场 需求。但同时，为了提高质量、降低成本，需做大量的试验分析和数据处理，也 增加了设计工作量，而依靠传统手段进行分析和设计是不能满足要求的。解决这 一矛盾的方法便是采用先进技术和工具，将重点放在先期设计阶段。大量应用现 代设计理论和方法。 内燃机设计的一个基本要求是保证其主要零件有足够的强度，在要求的使用 期限内可靠地工作，同时又能使内燃机的体积和重量尽可能地小。为达到这一要 求，在设计过程中需要评估零件的强度和可靠性，因此需要掌握零件的热负荷和 机械负荷的大小、性质以及相应的应力应变状况。传统设计方法的特点是：静态 的、经验的、手工式的方法。现代设计方法的特点是：动态的、科学的、计算机 化的。可以这样说：传统设计方法是被动地重复分析产品的性能，而现代设计方 法则可能做到主动设计产品的参数【2 l 。现代内燃机设计的重点应放在综合应用现代 设计理论和方法，将复杂的内燃机工程问题建立物理、数学模型，通过在计算机 上进行分析、模拟工程实际状况，以在设计阶段就将内燃机产品的性能和结构构 思以及未来产品的品质确定下来，提供给设计师，作为产品发展的决策依据。 现代设计理论和方法中的有限元分析技术、疲劳可靠性技术、优化设计以及 计算机辅助设计( c a d ) 技术等分支在内燃机设计上已经有了不同程度的应用。 随着计算机的普及和软、硬件技术的发展，特别是图形软件的二次开发，增加了 符合国家标准的数据库和图形库。目前，国外图形软件已从单纯的结构设计，发 展到参数设计或变量设计，从二维设计发展到了三维设计。如大型c a d 软件 p r o e 、u g 等的广泛应用。例如，在内燃机机体设计中，在建立新结构的机体模 型时需花费较多的时间，大部分的设计时间是用在原机体基础上进行不断的调整 和修改，利用3 dc a d 技术可大大提高设计效率，机体的三维实体模型不但可以 对机体进行静力学和动力学分析计算，并且可以方便地转化为二维工程图。也就 是说如果对实体模型作了修改，工程图也会发生相应的转变，因此大大减少了工 作量。同时，一旦有了初步设计方案，就可进行有限元分析，为设计方案的选择 和结构的修改提供依据和理论检验，实现等强度设计。 现代设计理论和方法将与计算机应用技术共同走进内燃机产品设计之中，成 为设计师不可缺少的助手。 1 3 柴油机机体的强度研究 1 3 1 机体强度研究的意义 柴油机的零部件中，机体是铸造的箱体零件，构成柴油机的骨架，支撑柴油 机的所有运动部件，使它们在工作时保持相对准确的位置。同时其上分布着各种 加强筋、凸台、轴承孔、水套和油道孔，内有气缸套和各种纵、横隔板，这种复 杂的空间几何结构的力学性质需用偏微分方程或常微分方程来进行描述，并且不 可能得到理论解析解。机体在工作过程中的受力也十分复杂，其主要承受各缸内 气体对气缸盖底面和气缸表面的均布气体压力；经活塞作用于各气缸壁的侧压力； 经曲轴加在各主轴承上的作用力：支架对内燃机的支承反力和反力矩。这些力的 大小、方向随工况和曲轴转角不断变化， 即使在柴油机不运转时，各气缸盖螺栓、 有些力的作用点也在不断变化。此外， 主轴承螺栓也使被紧固部分受力。以上 各种力和力矩使各部分受到交变的拉压弯扭，产生复杂的应力状态。其结构和受 力的复杂性决定了它是柴油机的主要结构和性能件。 柴油机产品开发过程中，保证机体的设计与制造质量是关键也是难题。随着 柴油机技术的不断提高，柴油机的设计向着提高效率、增加可靠性、减轻重量、 降低燃油消耗率以及低排放等方向发展。其强化指标不断提高，导致机械负荷和 热负荷不断增加。设计与制造上稍有疏忽就可能导致机体在工作状态下出现裂纹 等损坏现象，从这种意义上讲机体是直接影响发动机整机可靠性的关键部件。因 此机体的设计必须保证它有足够的强度和刚度，既不能产生裂纹，也不能出现过 大的变形。 型时需花费较多的时间，大部分的设计时间是用在原机体基础上进行不断的调整 和修改，利用3 dc a d 技术可大大提高设计效率，机体的三维实体模型不但可以 对机体进行静力学和动力学分析计算，并且可以方便地转化为二维工程图。也就 是说如果对实体模型作了修改，工程图也会发生相应的转变，因此大大减少了工 作量。同时，一旦有了初步设计方案，就可进行有限元分析，为设计方案的选择 和结构的修改提供依据和理论检验，实现等强度设计。 现代设计理论和方法将与计算机应用技术共同走进内燃机产品设计之中，成 为设计师不可缺少的助手。 1 3 柴油机机体的强度研究 1 31 机体强度研究的意义 柴油机的零部件中，机体是铸造的箱体零件，构成柴油机的骨架，支撑柴油 机的所有运动部件，使它们在工作时保持相对准确的位置。同时其上分布着各种 加强筋、凸台、轴承孔、水套和油道孔，内有气缸套和各种纵、横隔板，这种复 杂的空间几何结构的力学性质需用偏微分方程或常微分方程来进行描述，并且不 可能得到理论解析解。机体在工作过程中的受力也十分复杂，其主要承受各缸内 气体对气缸盖底面和气缸表面的均布气体压力；经活塞作用于各气缸壁的侧压力； 经曲轴加在各主轴承上的作用力；支架对内燃机的支承反力和反力矩。这些力的 大小、方向随工况和曲轴转角不断变化，有些力的作用点也在不断变化。此外， 即使在柴油机不运转时，各气缸盖螺栓、主轴承螺栓也使被紧固部分受力。以上 各种力和力矩使各部分受到交变的拉压弯扭，产生复杂的应力状态。其结构和受 力的复杂性决定了它是柴油机的主要结构和性能件。 柴油机产品开发过程中，保证机体的设计与制造质量是关键也是难题随着 柴油机技术的不断提高，柴油机的设计向着提高效率、增加可靠性、减轻重量、 降低燃油消耗率以及低排放等方向发展。其强化指标不断提高，导致机械负荷和 热负荷不断增加。设计与制造上稍有疏忽就可能导致机体在工作状态下出现裂纹 等损坏现象，从这种意义上讲机体是直接影响发动机整机可靠性的关键部件。因 此机体的设计必须保证它有足够的强度和刚度，既不能产生裂纹，也不能出现过 此机体的设计必须保证它有足够的强度和刚度，既不能产生裂纹，也不能出现过 大的变形。 随着车用柴油机强化指标的不断提高，柴油机机体的承载性问题日益显露出 来。过去传统经验基础上的机体结构设计，在柴油机动力性多次提高、局部结构 多次更改以后，可能会成为影响整机可靠性的主要因素。所以，对机体的强度进 行研究，找出机体的薄弱环节并加以改进，成为一项很迫切的工作。 1 3 2 有限元法在机体强度研究中的应用 当今世界科学技术飞速发展，作为技术和知识密集的汽车工业一直都是高新 技术发展和应用的最前端。随着计算机技术的发展，汽车设计与制造也步入电子 技术时代，利用有限元方法解决复杂结构静、动态特性分析计算成为一种有效的 辅助设计手段和方法。 有限元方法是伴随着计算机软硬件技术的发展而迅速发展起来的一种现代设 计计算方法，如今越来越广泛地应用在汽车设计工程领域。由于其具有较高的计 算精度、广阔的解算能力、简单的应用方法和低廉的设计成本而深受工程界的欢 迎，是c a e 的重要组成部分，也是最有效的强度计算方法。内燃机零部件的设 计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术的应用提高了内燃机零部件设 计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了内燃机工业的发展【3 】口 在内燃机零件设计中，机体设计是最难的零件设计之一。因为它的结构和受 力非常复杂，而且机体的设计要特别注意减轻其质量和改善铸造和加工工艺性， 挖掘降低成本的一切潜力。这些要求我们必须细致地进行结构设计，以优化材料 的利用。三维有限元结构分析( 有时哪怕只是针对某一重要的局部结构) ，有助于 找出机体中的薄弱环节和冗余环节，以便采取适当的修改措施。 由于机体的复杂性，在2 0 世纪6 0 年代以前根本不可能对其进行比较详尽的 计算分析，只有在实物造出来后用实验方法进行研究。电子计算机的普及和现代 数值计算方法的出现使机体的结构分析在设计阶段成为可能。从2 0 世纪7 0 年代 末开始，我国几种机车柴油机机体先后都采用有限元计算，探清了应力和变形的 分布规律，为设计提供依据取得了很好的效果。在故障诊断方面，福特公司利用 有限元分析计算，成功解决了机体出现裂纹的问题 4 1 。随着有限元方法和分析软件 的日益成熟，在发动机研制开发工作中，对零件进行有限元分析己成为辅助设计 的重要手段。 4 有限元法具有成本低、直观、可预见性强等优点，在方案设计时，有很大的 优越性，因此采用有限元技术对内燃机零部件进行计算越来越有必要。特别是对 于复杂的机体，用有限元进行分析，求出各点的应力和变形，对机体的结构设计 具有重要的指导作用。 目前，国际、国内各种结构分析有限元软件都以商品的形式不断推出，并逐 渐系统化为大规模有限元分析程序。自2 0 世纪7 0 年代后期，我国引进了数十种 大中型专用和通用有限元软件，主要有a n s y s 、i d e a s 、a l g o r 等。在计算机 上用有限元软件模拟机体的温度场、应力场与变形，对改进机体设计、提高内燃 机的性能与可靠性具有重要的意义。 1 3 3 机体强度研究国内外现状 目前世界几乎所有的汽车公司和设计公司在进行汽车设计与制造时均将有限 元技术列为设计常规，设计、分析、计算、改进成为设计开发的必须过程，将有 限元分析与模态分析技术相结合的动态设计技术，已经在国外汽车、发动机结构 设计中获得工程实际应用。 作为汽车业发达国家，国外在汽车、发动机研发技术方面远远超过国内，作 为汽车技术领域内最重要的发动机技术方面尤其如此。有限元结构分析方法在各 种零部件总成的设计中得到了广泛的应用，类似予象发动机机体这种复杂结构， 不仅因为它是发动机十分关键和重要的性能件，而且机体内的水道、油道、水套、 缸套等结构复杂，精度要求高，加之其在实际工作情况下，受载复杂，难以模拟。 因此，能够建立起同实际状况相接近的有限元分析模型，从而通过有限元法计算 获得所需数据，一直是这一领域的重点。 在国外，其有限元分析的范围已经远远超出简单的机械应力研究，如美国通 用公司在柴油机的设计开发中已经将有限元结构分析扩展到分析极限变形、燃烧 引起的热应力以及诸多动态响应分析上，并同实验概念结合起来进行新产品新结 构的优化。在美国s a e ( 美国汽车工程师协会) 、比利时鲁汶大学、美国辛辛那提 大学等很多研究机构，就发动机机体有限元模型的建立作了很多相关研究，并发 表和公布了大量研究成果 5 , 6 1 ，特别是结合静态分析和实验模态分析等方法，修正 和完善机体的有限元分析模型等取得了突出的成效，他们将这些模型应用到实际 分析计算中，得到了比较接近实际的结果。在比利时l m s 公司、奥地利a v l 公 司也有将有限元分析技术应用到实际工程设计中的报道，借助其强大的试验能力， 在分析确定机体激励力方面取得了重大进展，使得通过计算机模拟得出动态响应 的结果已经同实际情况相当接近。目前，很多公司已经将计算机模拟分析作为其 开发设计流程中必要的阶段，如福特公司在发动机的总成及零部件设计就明确规 定了这一流程，而且其有限元模型及其激励力的确定都有要求和说明。在新品开 发中，深入、广泛地采用动态设计技术，系统地研究和解决结构及其n v h 问题 是一个必须的过程和趋势，也是技术发展、市场用户的要求。 我国汽车行业现也在有限元分析方面做了大量的研究和应用，特别对复杂结 构的快速重分析问题进行了有益的探索。由于我国在柴油机领域介入时间较早， 而且研发生产的实际工程经历也比较多，因此，在大型柴油机领域，有限元分析 技术已经在很多方面得以应用。在零部件的设计开发方面，就机体这类复杂零部 件的有限元模型的建立、机体强度的有限元分析、机体的模态分析、动态响应分 析以及机体振动响应分析时的激励力确定方面都有一些单项方面的论文和研究成 果公开发表。我们可以从如下几方面进行归类： 1 ) 机体建模。国内许多研究都是基于单缸或者横隔板来进行模拟，如文献【7 】 中针对4 9 5 型柴油机选取了2 , 3 缸的半个缸及它们之间的横隔板作为分析对象，文 献【8 】中针对c y 4 1 0 2 b z q 柴油机机体选取了第三隔板和第四隔板组成一个整缸( 第 3 缸) 和两个半缸( 2 ，4 缸) 的计算模型，文献【9 1 3 】，在对机体进行研究时，都采 取了部分模型进行分析计算。其优点是不但减小了建模的工作量，也使c p u 运算 速度大大提高，缺点是精度较低。这主要是由于发动机实际的约束位置( 工作时， 发动机固定在机架上) ，与计算时模型的约束位置不一致，同时，简化掉的部分对 分析模型的受力和变形也有一定的影响。文献 1 4 2 0 1 中对机体的分析研究都是采 用的完整机体模型，其分析结果较准确。 2 ) 机体边界条件的处理。以前的部分研究仅简单停留在单个机体进行分析 1 0 a 7 ，其方法是将与其接触的载荷或约束条件直接转化到机体上。优点是运算量 小，缺点是由于实际结构上的支撑不是绝对刚性而是弹性的，要准确知道这些非 零位移值非常困难，而且支撑边界上力的大小和分布规律同样很难确定，因此用 零位移以及采用均布边界载荷的简化方法显然会带来很大的误差。选取组合结构 6 一并计算，可以大大减少由于这种假设简化所带来的计算误差，获得较理想的结 果1 。随着有限元技术的发展，接触问题已经能够得到较好的模拟，组件建模分 析也并非遥不可及。目前的大多数研究都包括了缸盖、缸套及主轴承盖等组合件。 如文献【2 2 】中，采用缸盖、飞轮壳、曲轴、主轴承盖等的组合模型进行分析，获得 了较好的分析结果。文献 2 3 】也阐述了三维组件非线性分析的精确性。 3 ) 螺栓预紧力的模拟。已发表的相关论文中【7 - 9 ， 1 1 - 1 2 l ，大多采用杆单元来模 拟螺栓连接，并在两端施加温度以控制杆单元的伸缩量，从而实现螺栓预紧力的 模拟。其优点是运算量小，能较好的模拟预紧力。缺点是在f e a 发展的今天，许 多研究者力图通过单一模型以获得所有组件较准确的应力分布。从这点考虑，上 述方法并不能反映螺栓本身的应力情况。由于缸盖螺栓及主轴承螺栓等属于高强 度螺栓，其应力值的大小也将直接影响到整机工作的可靠性。国外对螺栓预紧力 的模拟也有相关研究口4 2 6 1 。 4 ) 过盈力的模拟。国内大多数的研究者通过施加均布力来模拟轴瓦等的过盈 力【7 引，另外也有一些研究者认为过盈力较小，予以忽略。过盈力的准确模拟，可 以让我们更加清楚地了解机体及过盈件本身的受力及变形情况。 5 ) 机体组件中曲轴的处理。曲轴起到的主要作用是传递连杆力，不能单纯将 其简化为直轴，更不能忽略其对机体受力的影响。科学的方法是将曲轴完整建模， 通过其与主轴瓦的接触模拟来实现力的传递，这样傲，不仅使我们较好地模拟了 作用在机体上的载荷，也准确获取了曲轴的应力分布信息。 1 4 本论文的主要内容 鉴于试验条件的限制以及边界参数的不完全，本文仅对c a 4 d 3 2 柴油机机体 组件进行静强度分析，通过a n s y s 有限元软件所特有的后处理技术，了解其应力 分布规律及相关变形数据，为以后的结构改进提供重要参考。 本文采用p r o e 三维制图软件完成了机体、缸盖、缸套、曲轴、飞轮壳、主轴 瓦、主轴承盖以及螺栓等的三维组装图，并将其导入a n s y s 软件进行结构静强度 计算和分析。具体论文内容如下： 1 ) 论述有限元强度理论基础。任何一种软件都是“有据可查”的。也就是说， 强度理论基础是有限元分析软件的“心脏”，它的一切行为都离不开这个“心脏”。 7 了解了强度理论基础，也就弄清楚了它是如何进行求解计算的。只有这样我们才 能游刃有余，更好地利用软件为我们服务。 2 ) 机体组件模型的建立及边界条件的确定。由于本文是对整个机体组件进行 分析，其分析结果准确性较高，但同时也带来了一些问题，如模型巨大，机时较 长等。 3 ) 预紧及爆发工况下机体的有限元分析。根据机体的受力情况，在预紧工况 时，仅承受螺栓预紧力和过盈力。其中，螺栓预紧力包括缸盖螺栓、主轴承盖螺 栓以及飞轮壳螺栓的预紧力；过盈力除了主轴瓦的过盈力外，由于是干式气缸套， 还应包括气缸套的过盈力。爆发工况则主要考虑爆发压力的影响，将其按照动力 学计算的结果分配到各组件进行分析计算。 4 ) 强度校核。机体及其他各零件必须要有足够的强度和刚度，来满足发动机 在各种恶劣工况下的正常运行。本文利用a n s y s 软件所特有的云图显示方式，找 出各个零件的最大应力点及最大变形量，并对其进行强度校核。 第2 章有限元强度理论基础 2 1 线弹性有限元静力学分析基本理论 弹性力学基本公式被用来描述均匀、连续、各向同性弹性体的位移、应变、 应力间的互相关系以及它们与外负荷之间的关系，因此是零件强度计算的主要依 据。 2 1 1 一点应力状态 弹性体内任一点的应力状态可以用 九个应力分量来描述，如图2 1 所示。其 中口，、口，、口：分别表示在直角坐标系上 x 、y 、：三个方向的正应力；r ”r m r 。表示剪应力。根据剪应力互等定理， 九个分量中，只有六个是不同的。通常规 定正应力以拉为正，压为负；剪应力，若 其作用截面的外法线与某一坐标轴方向 相同，其应力就以沿坐标轴的正方向为 正，沿坐标轴的负向为负；对于外法向与 _ ， ，z 图2 1 九个应力分量示意图 f i g 2 is k e t c hm a po f n i n es t l e s sc o m p o n e n t s 某一坐标轴方向相反的截面，其剪应力就以沿坐标轴的负方向为正，沿坐标轴的 正向为负。 2 1 2 应变位移方程 在给定负荷与温度分布的情况下，弹性体沿着扒y 、：方向的变形，可以分别 用“、v 、w 三个位移分量表示，他们通常是坐标ny 、z 的函数。在小变形的情况 下，应变一位移的关系是线性的。描述任一点的应变状态可以用九个应变分量表示， 即三个正应交和六个剪应变，它们分别是： 知却却、 毛2 瓦 o 2 丽 e 2 i 抛却枷铆却抛 2 1 ) b 2 2 万+ 磊2 如2 瓦+ 万如2 2 瓦+ 西i 式中、占，、e z 表示正应变；、如表示剪应变 9 从几何方程可知，当弹性体的位移完全确定时，应变也完全确定。但是反过 来就不成立，这是由于可能存在着各种不同的刚体位移。 2 1 3 应力一应变方程 弹性体材料在满足各向同性、均匀、连续、完全弹性的前提下，应力一应变应 符合广义虎克定律，即 毛= 壮吒一p ( 町+ 吒) 勺= 古h 一他+ 吒) 岛= 虹吒一且( 以+ q ) 式中e _ 弹性模量，o 剪切弹性模量，泊松比 弹性体在外力作用下处于平衡状态，其内部任一点的受力状况可以用六个应 力分量描述，然而，各点的受力状况可能是不一致的，所以应力分量应该是坐标 的函数。同时，弹性体受力变形时，其应变和位移必须是连续变化的，也就是说 要保证变形的协调性。有限元法是以位移分量为未知数，求得位移后，由几何方 程计算应变分量，再通过物理方程求得应力。由于协调方程式由几何方程推导出 来的，只要位移函数满足协调性，协调方程会自动得到满足的。 对于三维问题的弹性体来说，总共有十五个未知量，即三个位移分量，六个 应变分量以及六个应力分量；与此对应也存在十五个方程，即三个平衡方程，六 个几何方程以及反映应力一应变关系的六个物理方程。上述方程的解析解只是相对 简单问题才能得到精确的结果，对于复杂问题通常用数值法求得近似解。有限元 法是近代发展起来的应用最广泛的数值解法，它不仅用于解决弹性力学问题，而 且在传热学、流体力学、电学等领域也得到成功的应用。常用的求解弹性力学有 限元法有两种：一种是直接法，它的优点是直观易于理解，但对于温度场、流场 等非结构问题不便于使用；另一种是基于能量原理的变分法，其中位移法用的是 最小位能原理或虚位移原理，而应力法用的是最小余能原理，这些原理都是以小 变形为前提的。有限元法在数学上是属于变分法的范畴，而变分法的基本问题就 是求泛函的极值。 2 1 4 虚功原理 虚功原理也称虚位移原理，所谓虚位移是指弹性体在约束条件下，任意微小 1 0 动g 、l，j k 上g 上g 万 = = = 岛k 比 的假设位移。设弹性体在外负荷 r ) 作用下处于平衡位置，它们的相应作用点产生 虚位移 ) ，则外负荷在虚位移上所作的虚功用b w 表示，即 栅，- 7 r ( 2 3 ) 伴随着虚位移，弹性体内将产生虚应变。应力在虚应变上所作的虚功，是以 虚应变能形式贮存在弹性体内的。若虚应变为 ) ，则虚应变能况，可用下式表示， 即 删= f 瑟 2 c r d v ( 2 4 ) 式中的应力 d 也认为是恒定的。 从物理意义上不难理解，外负荷所作的虚功，应当与弹性体内的虚应变能相 等，即 b w = 8 u ( 2 5 ) 或 萨厂) 7 r = f 出 1 盯) d 矿 ( 2 6 ) 虚功方程是位移法有限元的基础。 将虚功原理写成另一种形式，即 砌+ ( 刁) = 0 假设弹性体从平衡位暨产生虚位移时外力为常量，并且其几何尺寸的变化忽 略不计，则上式中的变分算予艿可以提到括号外面，即 a u w = 0 ( 2 7 ) 式中一称为外力位能，其大小为恒力的功赋以负号，表示外力具有作功的能力。令 疗= u 一矿 ( 2 8 ) 式中石称为弹性体的总位能，它是弹性体的应变能与外力位能之和。 根据式( 2 7 ) 得 勋= 0 上式说明在给定外力作用下，实际的位移应使总位能的一阶变分为零。在数 学上可以证明这时的总位能为极小。由此可以得出最小位能原理：在所有满足边 界约束的位移场中，实际的位移场应当使弹性体的总位能为极小。 2 2 有限元法简介 2 2 1 有限元法基本原理及步骤 由于复杂的几何形状、载荷和材料特性通常得不到解析解，因此我们需要依 靠数值方法，如有限元法得出可以接受的解答口7 j 。 有限元法是最近三四十年发展起来的一种很有效的数值计算方法，既包括数 学理论，又包括程序设计技巧。它能对工程实际中几何形状不规则、载货和支承 情况复杂的各种结构进行变形计算、应力分析和动态特性分析，这是经典的弹性 力学方法所不及的。有限元法的基本思想是：把一个连续的弹性体化分成有限多 个彼此只在有限个节点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究。也就是用 一个离散结构来代替原来的结构，作为真实结构的近似力学模型。以后所有的分 析计算就在这个离散的结构上进行。有限元法之所以能够解结构任意复杂的问题， 并且计算结果可靠、精度高，其中原因之一在于它有丰富的单元库，能够适应于 各种结构的简化。对于结构分析而言，常见的单元类型包括梁单元、板单元、曲 壳单元、管单元、弹簧单元、质量单元和实体单元等，从而使我们能够非常方便 地用有限元模型来描述分析对象。 有限元法以变分原理和剖分插值为基础。计算时先根据问题的物理性质建立 起单元特性公式，然后再把各单元连在一起建立以节点上某物理量为未知数的多 元线性方程组进行求解，以取代对原结构的求解。整个计算过程可归纳为：先分 后合，以点代面。对温度场来说，节点上的未知物理量就是温度；对固体力学来 说，节点上的未知物理量可以是广义位移( 位移，转角等) ，也可以是广义力( 应 力、内力等) ，或者是它们二者的混合。所以，固体力学有限元法按求解时的基本 未知量可以分为：力法、位移法、混合法以及杂交法。 位移法的基本步骤： 1 ) 离散化结构。结构离散化的程度，即单元划分的粗细是根据结构特点和受 力情况而定的。单元划分的细，计算精度就高，但要多费计算机机时。通常在应 力变化急剧的部位，单元划分得细些，其余地方的单元可以适当放大，但单元大 小的过渡要均匀。 常用的二维单元有三角形的和四边形的，如图2 2 所示。它们可以是直边的， 也可以是曲边的，曲边的在边界上要设节点，常用的三维单元有四面体单元和六 面体单元。如图2 3 所示。每个节点可能产生位移的数目称为自由度，如平面单元 的节点有x 、y 两个方向的可能位移，即每节点有两个自由度。由此类推，三维单 元的节点有三个自由度。 么p 令囱 口口po 图2 2 平面单元 f i g 2 2p l a n ee l e m e n t 图2 3 三维单元 f i g 2 33 de l e m e n t 2 ) 选择位移函数。结构受力后的变形往往是很复杂的。离散化为单元组合体 后，在单元上就可以用简单的多项式位移函数，来近似的表示真实的位移场。对 位移函数的主要要求是： 单元内应当是连续的，相邻单元之间应满足变形的协调性； 应当包含有刚体运动项，这是由于离散化后的某些单元，在结构受力后可 能没有应变而只作刚体位移； 应当包含恒应变项，即当单元划分的很小时，它的应变应趋于一个确定值。 上述项属于协调性要求，、项属于收敛性要求。 3 ) 分析单元的力学特性。选择位移函数之后，利用几何方程、物理方程推出 以节点位移表示的单元应变关系式和单元应力关系式，然后再利用应变能的概念 推导出单元刚度矩阵，它是组成总刚度矩阵的基础，所以是单元力学特性中最重 要的内容。 4 ) 计算等效节点力。经过离散化后，假定力是从一个单元传递到另一个单元 的，所以要把实际作用在单元边界上的表面力，以及作用在单元上的体力、集中 力等，都要按虚功等效原则移置到节点上去，最后组成节点负荷列阵。 5 ) 用变分原理推导出有限元法方程组。有限元法方程组的作用是把结构上的 节点负荷列阵与所有节点位移联系起来。联系的功能是通过总刚度矩阵实现的， 而总刚度矩阵是由所有的刚度矩阵叠加而成的。 6 ) 求解线性方程方程组。求解线性方程组，就可以得到所有节点的位移量， 求出节点位移量后，根据有关公式计算出节点的应变和应力。 2 2 2 等参数单元 在有限元发展过程中，首先使用的是平面三角形线性单元，这种单元曾经起 到过很重要的作用。但三角形单元对于形状复杂的结构，只能通过细分网格或增 加单元节点数才能提高精度，使计算量增大，以至使用受到限制。目前更广泛使 用的是具有高精度的“等参数单元”，所谓等参数单元，是指坐标变换式和位移模 式用同样的形函数来描述的单元。它只需对结构进行少量的分割，就可以保证较 高的计算精度。 有限元法的思路是将整体离散化为由 若干单元并合成的组合体，将某物理量在总 体区域上的解，视为是由所有节点上的近似 解组合而成的，而单元上任一点的解，可以 通过节点的解来确定。为此首先要研究单元 上任一点的物理量与节点物理量之间的关 系。图2 4 上，设某单元e 的四个节点顺序 为1 、2 、3 、4 。当四个节点位移确定后， 在单元内及其边界上若知道位移变化规律， 则任一点的位移也就确定了。现假设单元只 x 图2 4 单元上任一点位移与节点位移 f i g 2 4d i s p l a c e m e n to f a n yp o i n to i l e l e m e n ta n dd i s 纠e m e mo f n o d e 进行x 向位移，则单元上任一点的位移函数“，可以用节点的位移表达为 “= 1 m + 2 “2 + m 蚝+ 4 ( 2 9 ) 式中m 是四个节点的x 向位移：l 4 为插值函数，称为形函数，从另一 个角度理解，可以认为在形函数确定后，位移函数完全取决于节点的位移值。 为了保证位移函数在规定的节点上有确定值，而且满足刚体位移要求，形函 数应当具有两个重要性质，即 1 4 在i 节点上，形函数m = 1 ，其他节点上形函数为零。可写成判断式： ：1 在i 节点 【0 在其他节点 各形函数应满足下列等式，即 f = l ( 2 1 0 ) 式中疗为单元上的节点个数。此性质反映了单元的刚体位移要求。 除上述两点外，形函数还应保证位移函数具有收敛性和协调性。 在掌握位移函数的基础上，可以推导出单元的应变 占) 和应力 盯) 表达式。 2 2 3 单元刚度矩阵 为了建立节点位移与作用在结构上的负荷之间的关系，需要借助“网0 度矩阵”。 刚度矩阵分为单元刚度矩阵与总刚度矩阵，而后者是由前者组合而成的。 根据最小位能原理或虚功原理得出有限元法的基本公式为 【k 】= i f ) ( 2 1 1 ) 其中【k 】为总刚度矩阵， 占) 为节点的位移， f 为总负荷列向量 总剐度矩阵的性质： l 总刚度矩阵是对称的： 2 总刚度矩阵是稀疏的； 3 总刚度矩阵具有奇异性。总刚度矩阵的奇异性是由于允许有刚体位移引起 的。由于单元上的位移函数要反映刚体位移的要求，在此基础上，组合成的总刚 度矩阵，如果不加以约束，就意味着允许整个结构产生刚体位移，这反映在总刚 度矩阵上，就是奇异性。 要消除总刚度矩阵的奇异性，一般根据结构的边界条件加以约束，使计算模 型在总体坐标系中的位置唯一地确定。 2 2 4 赢斯数值积分法 用等参数单元，在计算刚度矩阵和节点负荷时都要用到高斯数值积分法。此 法可以保证较高的精度，还能节省计算时间。其基本做法是：选择一