淺析機車柴油機機體縱向剛度計算

徐海濤 徐培武 朱小波

1 機體模型處理

柴油機機體非常復雜，在計算機體縱向剛度時一般還需要保留主軸承蓋、縱向螺栓、橫拉螺栓、缸套、缸頭、缸頭螺栓以及螺母等零件，模型處理工作較為復雜。

1.1 幾何模型處理

在能夠正確表達結構或所關心部分力學行為的條件下，盡可能的去除模型中的小特征，包括小孔、小圓弧、尖角（小于12度），狹窄面、小邊碎邊（一般來說5mm以下的小特征建議去除）。如果可能，一些大尺寸特征在不影響計算結果的前提下也可刪除，如某些不承受載荷的法蘭螺栓孔等。缸頭幾何特征對分析來說只是起到傳力左右，建議簡化成實體，處理完成的模型見圖1。

1.2 有限元模型處理

使用Hypermesh軟件劃分網格，機體使用高階四面體網格劃分、體網格尺寸控制在20mm左右，對網格質量的要求為：collapse>0.1。見圖2。

主軸承蓋使用高階四面體網格劃分、體網格尺寸控制在20mm左右，對網格質量的要求為：collapse>0.1。另外對于需要加載或后處理的孔，建議使用R-trias方式劃分網格。見圖3。

缸套使用低階六面體網格劃分、體網格尺寸控制在20mm左右，對網格質量的要求為：jacobian>0.5。缸頭用面單元代替。螺栓用桿單元代替，螺母用rbe2單元代替。見圖4。

為了方便計算收斂，各零件的連接處網格節點應當保證一一對應，對于不滑動的配合，合并節點。對于相對滑動的面需要建立接觸單元。

2 約束、載荷與邊界條件

約束：除主軸承蓋與機體之間的接觸面定義為摩擦（摩擦系數0.1）外，其余所有接觸均采用節點耦合的方式代替。

載荷：按照組裝順序依次添加螺栓預緊力的載荷，為了簡化過程，可將同一類的螺栓同時加載。如文中所示柴油機，先預緊主軸承縱向螺栓，再預緊主軸承橫向螺栓，最后預緊缸頭螺栓。

邊界條件：使用桿單元模擬柴油機支撐，可以對支撐點施加相應的位移約束。應當注意不要過約束，圖5為一種參考。

3 計算與結果后處理

使用ansys計算，采用線性靜態多載荷部計算方法。計算結果使用hyperview處理。對機體縱向剛度的重要評價指標是，主軸承座的階梯度，可以通過截取放大云圖來觀察變形趨勢。見圖6。在后處理模型中定義階梯度取值的點，即可作出主軸承孔的階梯度的變化情況。

4 結論與建議

本文以某型柴油機機體為例詳細闡述了機體縱向剛度有限元分析的技術方法，為類似分析提供有益參考。

1、文中所示方法明確了機體組建模型處理的方法，量化了有限元網格的技術指標

2、對機體有限元計算中的約束、載荷與邊界條件做了詳細的闡述。

3、對計算結果的評價給出了合適的方法。

作者簡介

徐海濤，男，1988年8月28日，江蘇宿遷，碩士研究生，機械工程，助理工程師，中車戚墅堰機車有限公司。

（作者單位：中車戚墅堰機車有限公司）