基于ANSYS的輕型170F柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

申愛(ài)玲

（邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程系,湖南 邵陽(yáng) 422004）

機(jī)體是柴油機(jī)中最大的箱體鑄造零件，構(gòu)成了整機(jī)骨架，承載了柴油機(jī)的所有運(yùn)動(dòng)件，并且保證各部分工作時(shí)的準(zhǔn)確的相對(duì)位置。機(jī)體上分布著各種加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、軸承孔等，使得機(jī)體具有較復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)；機(jī)體工作時(shí)承受的應(yīng)力情況十分復(fù)雜，同時(shí)影響應(yīng)力變化的因素也較多，因此,應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)體進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有比較大的困難。目前有限元的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，有限元分析已發(fā)展成為內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中為提高零部件可靠性而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種基本手段。本文利用ANSYS有限元技術(shù),對(duì)輕型170F柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析和優(yōu)化改進(jìn)。

1 輕型170F型柴油機(jī)機(jī)體有限元模型的建立

本文利用Pro/E軟件繪制實(shí)體模型，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分及其他處理。實(shí)體模型的建立在符合機(jī)體實(shí)際結(jié)構(gòu)及有限元分析需要前提下，盡可能簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，這對(duì)最終計(jì)算結(jié)果輸出速度及輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性具有重要的影響。輕型170F型柴油機(jī)機(jī)體是一個(gè)經(jīng)鑄造、機(jī)械加工后得到的箱體式零件，箱體內(nèi)壁分布加強(qiáng)筋，這些筋對(duì)機(jī)體強(qiáng)度有重要影響，在實(shí)際建模中忽略了機(jī)體內(nèi)壁各處倒圓角，曲軸主軸承蓋處螺栓孔是通孔，其對(duì)軸承座強(qiáng)度構(gòu)成實(shí)際影響，未作忽略，考慮到機(jī)體的實(shí)際情況及有限元分析的需要，機(jī)體作了一些簡(jiǎn)化。

為了便于缸蓋螺栓對(duì)機(jī)體載荷的加載，在機(jī)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(jī)體缸蓋螺栓螺絲孔的實(shí)際受力狀況。圖1所示為Pro/E中建立的機(jī)體模型圖，圖2所示為導(dǎo)入ANSYS后的170F型柴油機(jī)機(jī)體模型。

圖1 Pro/E建立輕型170F型柴油機(jī)機(jī)體實(shí)體模型

圖2 導(dǎo)入ANSYS后輕型170F型柴油機(jī)機(jī)體實(shí)體模型

圖3 輕型170F型柴油機(jī)機(jī)體模型網(wǎng)格劃分

2 機(jī)體有限元模型的網(wǎng)格劃分

ANSYS10.0有限元軟件提供了200種以上的單元類(lèi)型，本文輕型170F型柴油機(jī)機(jī)體材料為HT200，其參數(shù)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(wǎng)格時(shí)不適宜采用網(wǎng)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(wǎng)格時(shí)采用自由網(wǎng)格劃分，得到機(jī)體有限元網(wǎng)格模型如圖3。該模型單元分布較均勻，能夠準(zhǔn)確反映出機(jī)體實(shí)際情況，劃分后得到61796個(gè)節(jié)點(diǎn)和32347個(gè)單元，劃分網(wǎng)格較均勻。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)ANSYS軟件分析計(jì)算在缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力下，可得到機(jī)體的位移圖及機(jī)體應(yīng)力云圖，如圖4、圖5所示，機(jī)體缸套孔應(yīng)力圖如圖6所示，預(yù)緊工況下機(jī)體節(jié)點(diǎn)位移情況如圖7所示。

由圖分析可得，輕型170F柴油機(jī)機(jī)體在最大爆發(fā)壓力時(shí)，最大應(yīng)力為80.1MPa，最大位移值為0.04621mm，這些計(jì)算值均處于機(jī)體材料的安全限度內(nèi)，故原機(jī)體強(qiáng)度剛度足夠，但分布在極腳處的應(yīng)力極不均勻，存在應(yīng)力集中的情況，在柴油機(jī)工作時(shí)的交變應(yīng)力作用下，就可能發(fā)生疲勞斷裂，可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)來(lái)緩解應(yīng)力集中。

由上分析得，在預(yù)緊工況下缸套孔部位最大應(yīng)力為196MPa，機(jī)體上的最大位移值為0.0508mm，實(shí)際值必定小于這個(gè)求解結(jié)果，缸蓋螺栓比較長(zhǎng)，能在最大爆發(fā)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(yīng)力分散在較大的界面上，機(jī)體缸套孔受到的是純粹的擠壓應(yīng)力作用，機(jī)體材料的抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度。

4 機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)與有限元分析

機(jī)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的其中一個(gè)目標(biāo)是輕化質(zhì)量，其旨在保證整機(jī)主要零部件位置關(guān)系不變的前提下，在機(jī)體強(qiáng)度、剛度滿足整機(jī)動(dòng)力需要的前提下，盡可能地減輕機(jī)體總重量。這不僅能改善整機(jī)的綜合性能，還能降低零件成本。

由前文分析可知，機(jī)體結(jié)構(gòu)輕量化的余地較大，機(jī)體上最大應(yīng)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(yīng)力云圖和機(jī)體材料屬性，在載荷不變的情況下將機(jī)體結(jié)構(gòu)作如下改變：

（1）將原來(lái)所有6mm的機(jī)體厚度全改為5mm；

（2）將曲軸箱前蓋凸臺(tái)由原來(lái)的2mm改為4mm，以減小最大應(yīng)變量；

（3）將機(jī)體內(nèi)壁高度10mm的加強(qiáng)筋改為8mm；

（4）將機(jī)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(jī)腳總支撐面積減小50%；

（7）增大機(jī)腳處的過(guò)渡圓角，將原來(lái)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(jīng)過(guò)ANSYS分析軟件求解得出圖8機(jī)體應(yīng)變?cè)茍D及圖9機(jī)體應(yīng)力云圖。

由圖8、圖9得知，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)后機(jī)體各處應(yīng)力應(yīng)變分布較改進(jìn)前均勻，應(yīng)力應(yīng)變有所增大，最大應(yīng)力增大為145.254MPa，最大位移增大為0.057865mm，但均處于材料強(qiáng)度的許可限度以內(nèi)，對(duì)機(jī)體強(qiáng)度并無(wú)實(shí)質(zhì)性的影響。利用Pro/E軟件計(jì)算得知，改進(jìn)前模型質(zhì)量為10.746kg，改進(jìn)后模型質(zhì)量為9.464kg，機(jī)體總質(zhì)量減輕1.282kg。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用ANSYS有限元分析方法，計(jì)算出了輕型170F柴油機(jī)機(jī)體在最高爆發(fā)工況和預(yù)緊工況的位移、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D；得到了輕型170F機(jī)體設(shè)計(jì)中的一些薄弱環(huán)節(jié)；為提高輕型170F機(jī)體的強(qiáng)度、及進(jìn)一步改進(jìn)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1]袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]張朝暉.ANSYS工程應(yīng)用范例入門(mén)與提高[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.