柴油機機架靜強度有限元分析

楊 浩 洋

(廣州中船文沖船塢有限公司，廣東 廣州 510000)

柴油機機架靜強度有限元分析

楊 浩 洋

(廣州中船文沖船塢有限公司，廣東 廣州 510000)

對柴油機機架的強度校核，采用了Pro/e三維建模軟件與大型有限元通用軟件ANSYS相結合的方法。利用Pro/e進行三維建模，繪出機架詳細的實體模型，再將其導入ANSYS，進行有限元網格劃分，建立有限元模型，在預緊工況下施加合理的約束條件與載荷后，得出應力云圖，根據計算結果進行強度校核，結果表明該機架的靜強度是安全的。

柴油機,機架,強度

柴油機是船舶的重中之重，柴油機的性能直接影響著船舶的行駛安全。而機體作為柴油機的主體部件，它的剛度與強度特性更是保證柴油機能夠正常工作的重要前提。本文主要是對柴油機機架進行強度校核，機架結構比較復雜，工作環境惡劣的同時還要承受各種復雜的力，因此具有代表性的研究意義。本文應用大型有限元通用軟件ANSYS對K98MC柴油機機架進行仿真，采用有限元的方法對K98MC柴油機機架在預緊工況下進行變形及應力分析。

1 柴油機機架的幾何建模

本文的柴油機機架的實體模型是嚴格按照某設計院提供的K98MC柴油機機架結構圖圖紙尺寸進行建立的?？紤]到機架的基本結構和有限元模型的計算規模，對機架的部分局部特征等進行簡化，如下：1)局部結構簡化。在對柴油機機架進行有限元分析之前，應先考慮柴油機機架的局部結構從而分析該局部的特性與應力分布情況，但綜合考慮到柴油機機架的整體結構特點與現今的計算機運算能力，可以將對整體結構特征影響較小的局部性細小特征進行忽略[1]，例如凸臺或者細小的孔、比較狹小的槽、各種縱橫隔板等。2)對局部結構的某些小細節進行簡化。比如，對機架上的一些比較小的倒角、圓角可以忽略，但是對于結構結合處與一些關鍵受力部位則不能忽略，否則會影響到整個機架結構的應力分布，所以一定不能刪除。具體建模圖如圖1所示。

2 機架有限元模型的建立

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

本文使用的是智能網格劃分控制技術，是ANSYS軟件提供的智能網格自動劃分工具，它運用自己的內部計算機制，在劃分網格的過程中將其劃分成相對較為合理的單元。然而單元類型約有兩百多種，按照適用場合的不同可分為結構單元、流體單元、耦合場單元、熱單元、網格劃分輔助單元等，每種單元均有自己唯一的編號，本文采用的是“Brick 8 node 185”，總共劃分了176 328個單元和40 355個節點。

表1 機架材料物理性能參數

3 機架的有限元分析

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體模型的關鍵點、線和面上；2)將載荷施加到有限元節點和單元上?？傊?，無論如何指定載荷，求解器期望所有載荷均依據該有限元模型，所以當將載荷施加于實體模型進行求解時，程序會自動將這些載荷轉換到所屬的節點和單元上[2]。

3.1 機架約束邊界條件的確定

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

3.2 機架載荷邊界條件的施加

對柴油機機架所受的載荷進行了簡化處理，本文研究貫穿螺栓預緊力對機架的影響，將貫穿螺栓的預緊力作為主要載荷邊界條件[3]。對于柴油機機架的機械強度來說，根據柴油機的裝配規范要求,每根貫穿螺栓承受的單位面積預緊力為120 MPa，螺栓的直徑為40 mm，將預緊力換算成均布壓力施加在緊固螺母環面相對應的位置上。

4 計算結果及其分析

預緊工況下，運用ANSYS軟件分析機架的應力分布情況，其計算結果應力云圖如圖2所示。

由圖2可以看出，在貫穿螺栓預緊力的作用下使得機架在預緊工況下，應力在內部間隔板薄壁局部上升，由于門洞導致了機架結構強度的削弱，導致了應力集中，故應力值在門洞處達到最大，為34.7 MPa。從整體上來看，機架外表面的應力云圖顏色為淺色，應力值相對較小，而再看內部間隔板，應力值相對外表面要大得多，之所以會這樣是因為機架上頂面在貫穿螺栓預緊力和氣缸體重力的作用下，會有向下的變形，再加上每個氣缸之間的壁比較薄，造成了應力的增加。

表2 預緊工況下機架最大等效應力值和材料屈服極限MPa

結合表2的相關數據，再根據第四強度理論可以得出式(1)：

σ=43.7 MPa<[σ]=213.3 MPa

(1)

機架的最大等效應力值要比該材料的屈服極限低，由此可推出在預緊工況下機架滿足其安全強度要求，此時安全系數見式(2)：

n=320/43.7=7.3

(2)

此安全系數高于1.2～2.0，亦可以從另一側面驗證機架符合安全標準。

5 結語

本文以K98MC柴油機機架為研究對象，利用Pro/e三維建模軟件和ANSYS有限元分析軟件對其進行研究，并對機架強度進行校核，符合強度要求。針對在計算分析工作中存在的問題，提出了以下展望：

1)在對機架進行有限元模型建立時，為了能夠順利導入ANSYS軟件以及分析的需要，本文沒有采用完整的機架模型，而是采用了簡化的模型進行分析，這難免會存在些計算的局限性，考慮到如何在確保計算精度的同時還要保證工作計算量不至于過大，這有待更深入地研究。

2)本文在對機架有限元模型施加載荷時，只考慮貫穿螺栓預緊力，僅僅研究在預緊工況下的應力變形并進行強度校核，可對機架進行更加全面的受力分析，分析機架在爆發工況下的應力變形再進行強度校核，為日后的機架結構設計優化提供更多的理論依據。

3)根據計算結果可以發現該柴油機機架的應力指標滿足其材料強度技術要求，并且安全系數也比較高，但應力水平分布不均勻，不少部分應力水平較低，由此可知，機架的材料冗余程度高，可對其進行輕量化設計。

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

[2] 邵蘊秋.ANSYS8.0有限元分析實例導航[M].北京:中國鐵道出版社,2004:2-4.

[3] 丁義峰,薛冬新,宋希庚.8L265柴油機機體靜強度有限元計算[J].農業裝備與車輛工程,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