大型船用柴油機缸蓋螺栓預緊過程模擬

邢 輝, 張文春, 武占華, 段樹林

(大連海事大學 輪機工程學院, 遼寧 大連 116026)

XING Hui, ZHANG Wenchun, WU Zhanhua, DUAN Shulin

大型船用柴油機缸蓋螺栓預緊過程模擬

邢 輝, 張文春, 武占華, 段樹林

(大連海事大學 輪機工程學院, 遼寧 大連 116026)

為考察船用柴油機缸蓋螺栓預緊過程對缸蓋墊片密封性的影響，采用擴展拉格朗日算法對船用柴油機燃燒室部件進行非線性接觸分析。以某大型船用柴油機燃燒室部件為研究對象，考慮缸蓋墊片的彈塑性變形特性、缸蓋螺栓的預緊及各部件間的接觸非線性，建立燃燒室部件的有限元分析模型，計算3種不同預緊方案下缸蓋螺栓預緊力隨載荷步的變化情況，并針對工程實踐中常用的預緊方案進行預緊工況下缸蓋墊片的非線性有限元分析。分析結果表明：不同組螺栓不同階段的預緊會對其他螺栓的預緊力產生影響，后預緊的缸蓋螺栓會使已預緊缸蓋螺栓中的預緊力有一定程度的減小；因缸蓋發生彎曲變形，缸蓋墊片受力在徑向上分布不均勻，墊片外邊緣起主要的密封作用并發生一定程度的塑性變形。該研究方法可為多螺栓連接結構螺栓預緊方案的選擇提供參考。

船舶工程； 船用柴油機； 缸蓋螺栓； 接觸； 預緊過程； 有限元分析

XINGHui,ZHANGWenchun,WUZhanhua,DUANShulin

Abstract: The influence of the preloading of cylinder cover bolts to the sealing performance of the cylinder gasket of a marine diesel engine is investigated with the augmented Lagrangian algorithm, conducting nonlinear contact analysis of the combustion chamber components. The finite element analysis model of combustion chamber components is built, factoring in the plastic deformation characteristics of the cylinder gasket, the pretension of the cylinder bolts and nonlinear contact between combustion chamber components. For three different bolt-tightening schemes the preloading change of cylinder bolts with the tightening procedure is calculated. The nonlinear finite element analysis of the cylinder gasket is performed for the common bolt-tightening processes. The study reveals that tightening a bolt may reduce the preload of other bolts tightened previously, to some extent which causes uneven radial stress distribution of cylinder gasket due to the bending deformation of cylinder cover. The slight plastic deformation, existing at the outer edge of the cylinder gasket guarantees the gas tightness.

Keywords: ship engineering; marine diesel engine; cylinder cover bolt; contact; preloading; finite element analysis

柴油機是一種高功率密度的熱能動力機械，在運行過程中對燃燒室部件的可靠性和耐久性具有較高的要求。以往對燃燒室部件的研究[1-2]往往忽略各部件間的裝配關系，且對存在預緊力及非線性接觸特征的部件(如缸蓋螺栓和墊片等)的研究較少。近年來，相關學者[3-5]開展了考慮非線性接觸因素的氣缸密封性能的研究，已取得一些成果。但是，燃燒室各部件在預緊和工作過程中因螺栓預緊過程不同而在相互接觸和受力方面存在著較大的不確定性，按單個部件的簡化模型或恒定的接觸和受力關系開展仿真研究必然會影響計算結果的準確性[6]，因此必須考慮各部件間的相互作用，并將其看作一個系統來分析。一些學者[7-9]通過試驗或有限元分析的方法研究螺栓預緊力在預緊過程中的變化情況，得出各螺栓之間的彈性相互作用對預緊力的影響規律。這里以某大型二沖程船用柴油機為研究對象，建立氣缸蓋、缸蓋螺栓、缸蓋墊片和氣缸套的三維實體有限元模型，計及這些部件間的接觸關系及缸蓋螺栓預緊力，并考慮螺栓的預緊過程，計算螺栓預緊力與墊片應力在螺栓預緊過程中的變化關系，對缸蓋墊片在預緊工況下的受力狀況進行分析，為燃燒室部件的可靠性計算、強度校核和缸蓋螺栓預緊工藝的確定提供有效的解決方法。

1 有限元模型與邊界條件

應用Creo2.0分別建立氣缸蓋、缸蓋墊片、缸蓋螺栓和氣缸套的三維實體模型，并按實際裝配要求對這些部件進行組裝。這里主要考察缸蓋螺栓和缸蓋墊片的受力情況；同時，為控制非線性接觸計算的規模并確保其收斂性，忽略氣缸蓋上安裝的排氣閥、噴油器、示功閥、氣缸起動閥及內部冷卻水通道和各種小孔。缸套凸肩坐落在氣缸體上，凸肩以下的缸套部分不受力，在凸肩處截斷。氣缸蓋、缸蓋墊片、缸蓋螺栓和氣缸套的三維實體模型均采用高階六面體單元Solid 95離散，對氣缸蓋、氣缸套與墊片接觸的區域進行局部網格細化并確保接觸單元一一對應；缸蓋螺栓上端螺母與缸蓋頂面之間、缸蓋底面與缸蓋墊片上表面之間及缸蓋墊片下表面與氣缸套頂面之間通過TARGE 170 和CONTA 174單元定義接觸。缸蓋螺栓與螺母之間及缸蓋螺栓與氣缸體螺紋孔之間忽略螺紋接觸；缸蓋螺栓與缸蓋螺栓孔依據設計尺寸存在間隙。在ANSYS 中選用PRETS 179單元實現螺栓預緊載荷的施加。有限元模型共劃分為291 916個單元、1 271 080個節點，有限元分析模型見圖1。

圖1 有限元分析模型

用于結構分析的各部件材料的特性見表1，其中：缸蓋墊片考慮塑性變形，并簡化為雙線性材料，屈服強度取235 MPa，切線模量取6 100 MPa；其余部件僅考慮彈性變形。

表1 用于結構分析的各部件材料的特性

由于氣缸套凸肩坐落在氣缸體上，8只缸蓋螺栓擰入氣缸體內，因此在氣缸套凸肩區域和缸蓋螺栓底部施加全位移約束。燃燒室各部件在缸蓋螺栓預緊力的作用下相互接觸，需通過定義接觸關系來模擬真實的工作過程。將各部件定義為可變形接觸體，對8只缸蓋螺栓的螺母與氣缸蓋之間、氣缸蓋與缸蓋墊片之間及缸蓋墊片與氣缸套頂面之間可能發生接觸的區域定義為面-面接觸。在對非線性實體面-面接觸進行分析時，采用擴展拉格朗日算法來協調2個接觸面的幾何和力學關系。[10]

2 缸蓋螺栓預緊過程模擬

燃燒室密封性的強弱很大程度上取決于缸蓋墊片的工作狀態，而缸蓋墊片上作用力的分布又與缸蓋螺栓的預緊過程有關。為確保缸蓋螺栓及缸蓋墊片受力均勻，一般分2個階段進行預緊：第1階段施加500 kN的預緊力；第2階段施加810 kN的預緊力。但在實際的生產實踐中，缸蓋螺栓的預緊方法存在較大差異，根據所配備的液壓拉伸器的數量，可能存在對稱2只缸蓋螺栓同時預緊、對稱4只缸蓋螺栓同時預緊和全部8只缸蓋螺栓同時預緊等情況。分步預緊可能導致最后的缸蓋螺栓和缸蓋墊片受力不均勻。下面根據所建立的有限元模型進行缸蓋螺栓的載荷分析。

2.1對稱2只缸蓋螺栓同時預緊

2.1.1預緊方案

圖2為螺栓預緊方案示意，將8只缸蓋螺栓分為4組，使用2只液壓拉伸器，每次對稱的2只缸蓋螺栓交替預緊，設定的預緊順序為B1，B5→B3，B7→B2，B6→B4，B8。預緊過程分以下2個階段完成。

(1) 第1階段包括1～6載荷步(LS)，依次將4組缸蓋螺栓的預緊力從0增加到500 kN；LS1初始裝配結構，施加0.1%的預緊力；LS2給缸蓋螺栓B1和B5施加500 kN的預緊力；LS3將缸蓋螺栓B1和B5鎖定，同時給缸蓋螺栓B3和B7施加500 kN的預緊力；LS4將缸蓋螺栓B3和B7鎖定，同時給缸蓋螺栓B2和B6施加500 kN的預緊力；LS5將缸蓋螺栓B2和B6鎖定，同時給缸蓋螺栓B4和B8施加500 kN的預緊力；LS6將缸蓋螺栓B4和B8鎖定。

圖2 螺栓預緊方案示意

(2) 第2階段包括7～11載荷步，依次將4組缸蓋螺栓預緊力從500 kN增加到810 kN；LS7給缸蓋螺栓B1和B5施加810 kN的預緊力；LS8將缸蓋螺栓B1和B5鎖定，同時給缸蓋螺栓B3和B7施加810 kN的預緊力；LS9將缸蓋螺栓B3和B7鎖定，同時給缸蓋螺栓B2和B6施加810 kN的預緊力；LS10將缸蓋螺栓B2和B6鎖定，同時給缸蓋螺栓B4和B8施加810 kN的預緊力；LS11將缸蓋螺栓B4和B8鎖定。

2.1.2計算結果

根據11個載荷步的缸蓋螺栓預緊力變化的有限元分析結果，得到各組缸蓋螺栓的預緊力隨載荷步的變化情況(見圖3)。

圖3 各組缸蓋螺栓的預緊力隨載荷步的變化情況

由圖3可知，預緊過程結束后，8只缸蓋螺栓(B1～B8)的預緊力分別為774 kN，802 kN，783 kN，810 kN，774 kN，802 kN，783 kN和810 kN。由此可看出，在進行多螺栓分階段預緊時，后預緊的缸蓋螺栓會對前面已預緊的缸蓋螺栓中的預緊力產生影響，使其出現一定程度的減小。缸蓋螺栓B1和B5的預緊力比B4和B8的小36 kN，即在工作狀態下，其實際預緊力小于設計預緊力。

2.2對稱4只缸蓋螺栓同時預緊

2.2.1預緊方案

在圖2中，將8只缸蓋螺栓分為2組，使用4只液壓拉伸器，每次對稱的4只缸蓋螺栓交替預緊，設定的預緊順序為B1，B3，B5，B7→B2，B4，B6，B8。預緊過程分以下2個階段完成。

(1)第1階段包括1～4載荷步，依次將2組缸蓋螺栓預緊力從0增加到500 kN；LS1初始裝配結構，施加0.1%的預緊力；LS2給缸蓋螺栓B1，B3，B5和B7施加500 kN的預緊力；LS3將缸蓋螺栓B1，B3，B5和B7鎖定，同時給缸蓋螺栓B2，B4，B6和B8施加500 kN的預緊力；LS4將缸蓋螺栓B2，B4，B6和B8鎖定。

(2) 第2階段包括5～7載荷步，依次將2組缸蓋螺栓預緊力從500 kN增加到810 kN；LS5給缸蓋螺栓B1，B3，B5和B7施加810 kN的預緊力；LS6將缸蓋螺栓B1，B3，B5和B7鎖定，同時給缸蓋螺栓B2，B4，B6和B8施加810 kN的預緊力；LS7將缸蓋螺栓B2，B4，B6和B8鎖定。

2.2.2計算結果

根據7個載荷步的缸蓋螺栓預緊力變化的有限元分析結果，得到各組缸蓋螺栓的預緊力隨載荷步的變化情況(見圖4)。

圖4 各組缸蓋螺栓的預緊力隨載荷步的變化情況

由圖4可知，預緊過程結束后，缸蓋螺栓B1，B3，B5和B7的預緊力為783 kN；B2，B4，B6和B8的預緊力為810 kN。缸蓋螺栓B1，B3，B5和B7的預緊力比B2，B4，B6和B8的預緊力小27 kN。

2.3全部8只缸蓋螺栓同時預緊

在圖2中，使用8只液壓拉伸器，將8只缸蓋螺栓同時預緊。預緊過程分2個階段完成，根據5個載荷步的缸蓋螺栓預緊力變化的有限元分析結果，得到8只缸蓋螺栓預緊結束后的預緊力均為810 kN。

3 結果分析

3.1預緊方案對比分析

通過對比以上3種預緊方案發現：采用2只缸蓋螺栓同時預緊方案或4只缸蓋螺栓同時預緊方案時，后預緊的缸蓋螺栓會使已預緊缸蓋螺栓中的預緊力出現一定程度的減小，但預緊結束后2種方案各缸蓋螺栓的預緊力比較接近，使用4只液壓拉升器并沒有明顯改善各缸蓋螺栓預緊不均勻的狀況，只有采用8只缸蓋螺栓同時預緊的方案才能得到比較均勻的螺栓預緊力。因此，配備2只液壓拉伸器可滿足使用要求并能節省備件成本，但配備4只液壓拉伸器可節省燃燒室部件拆裝檢修的時間；比較理想的方案是配備缸蓋螺栓對應數目的液壓拉伸器，這樣既可改善缸蓋螺栓受力的均勻性，又能明顯縮短設備拆裝檢修的時間，但備件成本較高。根據前述計算，對于配備2只或4只液壓拉伸器的情況，缸蓋螺栓分2個階段預緊之后應按說明書規定的預緊力對所有缸蓋螺栓重新預緊一遍，以確保缸蓋螺栓和缸蓋墊片受力的均勻性，這在工程實踐中往往會被忽略。

3.2缸蓋墊片受力分析

大型船用柴油機一般配備2只缸蓋螺栓液壓拉伸器專用工具，因此下面針對“2.1”節的預緊方案對缸蓋墊片預緊工況下的受力狀況進行分析，以考察其變形和密封情況。

預緊過程中，根據11個載荷步的缸蓋螺栓預緊力變化的有限元分析結果，得到缸蓋墊片的等效應力隨載荷步的變化情況(見圖5和圖6)。

圖5 缸蓋墊片最大等效應力隨載荷步的變化情況

圖6 缸蓋墊片最小等效應力隨載荷步的變化情況

預緊過程結束后，缸蓋墊片等效應力在徑向方向上差別較大，在靠近內邊緣處出現的最小應力為52.7 MPa，外邊緣處出現的最大應力為261.8 MPa。缸蓋墊片最大等效應力已超過Q235材料的屈服極限，外邊緣處發生塑性變形。由此可見，在缸蓋螺栓預緊力的作用下，缸蓋發生彎曲變形。墊片圓周方向的等效應力分布較均勻，有利于滿足墊片密封性要求。

4 結束語

1)通過建立大型船用柴油機燃燒室部件的精細有限元模型，對工程實踐中缸蓋螺栓預緊過程進行數值模擬。計算結果表明，不同組螺栓不同階段的預緊會對其他螺栓的預緊力產生不同的影響。可組合多種可能的螺栓預緊方案，并充分考慮最終螺栓預緊力分布的均勻性、燃燒室部件拆裝檢修的快速性和備件的經濟性，通過分析比較找出最合理的預緊方案。

2)所研究的大型船用柴油機缸蓋墊片在預緊過程結束后圓周方向上的應力分布較均勻，徑向方向上的應力分布不均勻，外邊緣處發生塑性變形。

3)所采用的研究方法可為船用柴油機各螺栓在設計階段選擇預緊方案和評價預緊效果提供參考，避免依靠工程經驗的不確定性及浪費大量重復試驗的時間和經濟成本。

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SimulationofBoltPreloadingProcessofCylinderCoveron
LargeMarineDieselEngine

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

U664.121；TK423

A

2016-01-13

中央高校基本科研業務費專項資金(3132016336)

邢 輝(1980—),男,湖北浠水人,副教授,博士生,主要從事船舶動力裝置性能評價與優化方面的研究。 E-mail: xingcage@163.com

1000-4653(2016)02-0015-04