基于ANSYS的輕型170F柴油機機體結構優化

申愛玲

（邵陽學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，使得機體具有較復雜的幾何結構；機體工作時承受的應力情況十分復雜，同時影響應力變化的因素也較多，因此,應用傳統的設計方法對機體進行設計和改進具有比較大的困難。目前有限元的應用越來越廣泛，有限元分析已發展成為內燃機產品開發中為提高零部件可靠性而進行優化設計的一種基本手段。本文利用ANSYS有限元技術,對輕型170F柴油機機體進行了結構強度計算分析和優化改進。

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，然后將實體模型導入ANSYS進行網格劃分及其他處理。實體模型的建立在符合機體實際結構及有限元分析需要前提下，盡可能簡化模型結構，這對最終計算結果輸出速度及輸出數據準確性具有重要的影響。輕型170F型柴油機機體是一個經鑄造、機械加工后得到的箱體式零件，箱體內壁分布加強筋，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格劃分

2 機體有限元模型的網格劃分

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，因此在劃分網格時不適宜采用網格智能劃分功能（SmartSize），為了使有限元單元的劃分均勻，在劃分網格時采用自由網格劃分，得到機體有限元網格模型如圖3。該模型單元分布較均勻，能夠準確反映出機體實際情況，劃分后得到61796個節點和32347個單元，劃分網格較均勻。

3 計算結果及分析

經過ANSYS軟件分析計算在缸內最大爆發壓力下，可得到機體的位移圖及機體應力云圖，如圖4、圖5所示，機體缸套孔應力圖如圖6所示，預緊工況下機體節點位移情況如圖7所示。

由圖分析可得，輕型170F柴油機機體在最大爆發壓力時，最大應力為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，故原機體強度剛度足夠，但分布在極腳處的應力極不均勻，存在應力集中的情況，在柴油機工作時的交變應力作用下，就可能發生疲勞斷裂，可以通過改變結構來緩解應力集中。

由上分析得，在預緊工況下缸套孔部位最大應力為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果，缸蓋螺栓比較長，能在最大爆發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力作用，機體材料的抗壓強度高于抗拉強度。

4 機體結構改進與有限元分析

機體結構優化的其中一個目標是輕化質量，其旨在保證整機主要零部件位置關系不變的前提下，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，機體結構輕量化的余地較大，機體上最大應力僅為80.1MPa，最大位移值僅為0.04621mm，鑒于有限元分析得出的應力云圖和機體材料屬性，在載荷不變的情況下將機體結構作如下改變：

（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，以減小最大應變量；

（3）將機體內壁高度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，再經過ANSYS分析軟件求解得出圖8機體應變云圖及圖9機體應力云圖。

由圖8、圖9得知，在結構改進后機體各處應力應變分布較改進前均勻，應力應變有所增大，最大應力增大為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，對機體強度并無實質性的影響。利用Pro/E軟件計算得知，改進前模型質量為10.746kg，改進后模型質量為9.464kg，機體總質量減輕1.282kg。

5 結語

應用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工況和預緊工況的位移、應力、應變云圖；得到了輕型170F機體設計中的一些薄弱環節；為提高輕型170F機體的強度、及進一步改進其結構的優化設計提供了理論依據。

[1]袁兆成.內燃機設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

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