某柴油機機體結構強度計算分析

胡成，朱小平

（1.馬勒技術投資（中國）有限公司，上海201401；2.上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某柴油機機體結構強度計算分析

胡成1，朱小平2

（1.馬勒技術投資（中國）有限公司，上海201401；2.上海柴油機股份有限公司，上海200438）

利用有限元軟件對某柴油機機體結構進行計算分析，并通過疲勞軟件計算出結構的疲勞安全系數。通過有限元計算來模擬機體疲勞試驗，分析結構是否滿足設計要求，為設計提供參考。

柴油機曲軸箱機體有限元計算疲勞強度

1 引言

發動機機體在工作時承受拉、壓、彎、扭等不同形式的機械載荷，在發動機設計朝著輕量化方向發展和發動機性能要求不斷提高的背景下，機體應具有足夠的強度和剛度。在產品開發設計階段，對于結構是否滿足強度要求的試驗占據相當長的研發時間，尤其當試驗結果不滿足要求時，則需要反復修改結構和試驗。利用有限元軟件建立機體裝配模型，為不同的裝配體定義不同的材料參數、劃分網格、施加約束和載荷，通過計算機完成計算，并獲得滿足收斂準則的計算結果[1]。通過有限元計算結果和測試結果的對比，可標定CAE模型，為修改設計提供參考，因此可以極大地節省產品的開發時間和成本。

2 計算模型及參數

多缸柴油機機體的各缸結構和載荷特征基本一致，計算時通常取2個半缸作為研究對象。各部件網格劃分應區分處理，對重點考察區域網格細化，以保證考查區域結果準確性并控制計算規模。氣缸體和曲軸箱采用劃分較細的四面體二階修正單元，缸套、簡化的缸蓋、缸蓋螺栓、主軸承螺栓、主軸瓦采用六面體一階單元。表1中列出了計算中各部件的材料參數[2]（該參數只采用材料的常用數值，不代表任何產品的材料參數），圖1所示為機體有限元模型。

機體的約束和加載如圖2所示。試驗載荷最高爆發壓力為23.5 MPa，將23.5 MPa的壓力向上均布施加在氣缸蓋火力面上。在曲軸軸瓦上施加向下的分布面力，面力在徑向呈120°余弦分布。向上、向下面力在加載面上積分值相等。在機體與氣缸蓋之間建立接觸關系，其中網格大、剛度較強的機體接觸面為主面，氣缸蓋接觸面為從面。同樣，機體

與曲軸箱的接觸關系，機體下接觸面為主面，曲軸箱接觸面為從面。機體與軸瓦接觸關系中，機體接觸面作為主面，軸瓦接觸面為從面，同時考慮軸瓦的過盈量。螺栓的底部建立接觸關系，螺栓頭部螺紋段與機體通過tie連接。在計算過程中，為防止載荷造成計算的不收斂情況，底面取4點，1點做1、2、3自由度的約束，其余3點做垂直自由度約束。

來稿日期：2013-01-11

表1 材料參數表

圖1 發動機主要工作區域

計算中載荷分析步分為預緊分析步和最大爆壓分析步（沒有考慮溫度的影響）。預緊分析步分析由預緊力載荷引起的應力分布，最大爆壓分析步考查的是預緊力載荷與最大爆壓疊加后的應力分布，見表2。

表2 爆壓分析步載荷

3 計算結果與分析

圖2 約束和加載

機體第一主應力分布如圖3所示。在曲軸箱中部出現應力集中如圖4所示，第一主應力最大值為130 MPa。由疲勞軟件計算得：在疲勞壽命N=106，機體安全系數分布如圖5所示，軸承蓋底部黑色區域安全系數＜1.3；機體疲勞壽命分布如圖6所示，在軸承蓋底部紅色區域疲勞壽命N＜107。

對于脈沖循環過程中的疲勞極限值可參考常用國產材料的疲勞極限值，也可通過對試樣的應力循環試驗繪制的S-N曲線來確定[3]。

圖3 機體第1主應力分布云圖

圖4 曲軸箱第1主應力分布云圖

圖5 機體安全系數分布云圖

工程中規定，對于S-N曲線有水平漸近線的材料，若經歷107次應力循環而不破壞，即為可承受無窮次應力循環；若S-N曲線沒有水平漸近線，規定某一循環次數（如5×106次）下不破壞時的最大應力作為條件疲勞極限[4]。

在機體強度計算中，將應力結果導入疲勞計算軟件，可得出不同爆發壓力下的脈沖循環次數；用“最小二乘法”同樣可繪制類似于S-N曲線的L-N曲線（載荷-壽命曲線），如圖7所示。

4 結論

利用非線性有限元軟件可以計算機體強度和模擬機體的疲勞試驗，初步判斷最大爆壓工況下的機體應力集中部位。并通過聯合疲勞分析軟件預測應力集中部位的安全系數和疲勞壽命，并可計算出對應條件疲勞極限的最大載荷。利用有限元計算，能夠減少機體疲勞試驗的成本和時間消耗，為設計提供參考。

圖6 機體疲勞壽命分布云圖

圖7 應力集中處L-N曲線

1成大先．機械設計手冊[M]．北京：化學工業出版社，2002．

2陸際清．汽車發動機設計[M]．北京：清華大學出版社，1990．

3徐灝．安全系數與許用應力[M]．北京：機械工業出版社，1981．

4李舜酩．機械疲勞與可靠性設計[M]．北京：科學出版社，2006．

Analysis on Structural Strength of A Diesel Engine Block

Hu Cheng1,Zhu Xiaoping2
（1.Mahle Technology Investment(china)Co.,Ltd.，Shanghai,201401,China; 2.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.，Shanghai 200438,China）

A FEA calculation is made for some diesel engine cylinder block with commercial FEA software.Then fatigue safety coefficient is derived from fatigue calculation.A simulation of block fatigue test is carried out to investigate whether the structure of the block meets the design requirements.The purpose of the all calculations is to provide reference for cylinder block designers.

diesel engine,crankcase,cylinder block,FEA,fatigue strength

胡成（1984-），男，碩士，主要研究方向為發動機疲勞可靠性。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.007