某船用柴油機連桿螺栓有限元強度校核

林 瑋

(無錫市地方海事局，江蘇 無錫 214043)

某船用柴油機連桿螺栓有限元強度校核

林 瑋

(無錫市地方海事局，江蘇 無錫 214043)

以某V8柴油機為研究對象，依照設計圖紙在ABAQUS有限元計算軟件中建立連桿裝配體有限元模型，按實際接觸關系定義接觸對，一共定義了11個接觸對，4個螺栓綁定約束。對連桿螺栓在2種極限工況下進行有限元計算，分別為氣缸在最大爆發壓力下的工況和連桿受最大拉力時的工況，并對計算結果根據第4強度理論進行強度校核。校核結果顯示，疲勞安全系數大于許用安全系數，該連桿螺栓在額定工況下是安全的。

柴油機；連桿螺栓；有限元；強度計算

0 引言

計算機輔助工程 (CAE)在柴油機的研制過程中已經得到了廣泛的應用。采用CAE技術能夠顯著提高柴油機研制的科學性，減少盲目性，從而提高研制效率。船用柴油機具有體積大、重量大的特點。在確保輸出功率的前提下，為減少船用柴油機體積和重量，設計各個零部件時在滿足強度要求的前提下，應盡量減少零部件的體積和重量。本文所校核的連桿螺栓為某船用V型8缸柴油機的連桿螺栓。由于柴油機的連桿螺栓受力比較復雜，難以用直接計算法進行螺栓強度校核，因此，本文按照設計圖紙，利用ABAQUS軟件對柴油機的連桿建立連桿裝配體有限元計算模型。對連桿螺栓在2種極限工況下進行有限元計算，分別為氣缸在最大爆發壓力下的工況和連桿受最大拉力時的工況。對計算結果根據第4強度理論進行強度校核。

1 柴油機及連桿螺栓相關參數

本文研究的柴油機的基本參數見表1。連桿螺栓的規格為M20 mm×100 mm，材質為42CrMo。查閱GB/T 3077—1999得到：42CrMo圓鋼的強度極限σb=1 080 MPa，屈服極限σs=930 MPa。通過數值計算，可以得出連桿螺栓在2種極限工況下的載荷。

2 有限元計算模型

2.1 結構模型

連桿有限元計算模型如圖1所示。在建模時，刪除了一些倒角和油孔，然后對處理好的幾何實體進行網格劃分，定義材料屬性，對活塞銷將在ABAQUS軟件中采用分析剛體進行建模，以簡化計算。有限元計算模型的網格劃分很關鍵，單元的選擇對計算的進程影響很大，若直接采用修正的2次4面體單元，基本上很難收斂。本文采用混合網格劃分，在關鍵的接觸面上盡量采用非協調單元C3D8I。

圖1 連桿有限元模型

2.2 邊界條件

對連桿身、活塞銷、軸瓦限制其沿曲柄銷軸向的位移，對曲柄銷限制其所有方向的自由度。由于連桿是個裝配體，不能按通常的有限元計算進行建模，因此本文對連桿裝配體所有有接觸的部件定義了接觸對。螺栓、螺紋孔之間定義為綁定約束。

2.3 載荷的處理

經過數值計算，得出柴油機在額定轉速下連桿所受的所有載荷，其具體情況見表2。在連桿有限元模型中，根據數值計算得出的載荷大小和實際受力方向添加載荷。

表2 額定工況下的載荷

3 結果分析

3.1 連桿螺栓的許用應力

根據《機械設計手冊》第4版第2卷要求，螺栓抗拉許用應力[σ]按式(1)計算：

[σ]=σS/n

式中：σS為材料的屈服強度，σS=930 MPa ；n為安全系數，n=1.8。

經計算，抗拉許用應力[σ]=516.7 MPa。

3.2 計算校核

經過有限元計算，得到螺栓在最大爆發壓力工況時的應力云圖和螺栓在最大拉力工況時的應力云圖，其應力云圖分別如圖2、如圖3所示。

圖2 最大爆發壓力工況時的螺栓應力云圖

圖3 最大拉力工況時的螺栓應力云圖

從圖2得知，最大爆發壓力工況時連桿螺栓的應力最大值約為70MPa；圖3中，連桿螺栓與連桿接觸綁定的部位的應力值最大，約為285 MPa，單元號為71。經分析可知，拉伸工況下螺栓處于最惡劣的受力環境。由于連桿大頭形式是斜切口形式，在最大拉力工況下，螺栓受力時不僅存在拉應力，還存在剪切應力，所以這一時刻螺栓所受到的應力很大。連桿螺栓的拉應力在最大爆發壓力工況和最大拉力工況下均未超過抗拉許用應力[σ]，因而連桿螺栓是安全的，且安全裕度較大。

連桿螺栓在交變載荷下容易發生疲勞破壞。疲勞斷裂為高強度螺栓[1]的主要形式，所以在這里對71號單元進行疲勞強度校核。疲勞安全系數n根據以下公式[2]來計算，即

式中：σa為應力幅，MPa，σa=(σ拉-σ壓)/2；σm為平均應力，MPa，σm=(σ拉+σ壓)/2；σ-1Z為對稱拉壓循環疲勞極限，取σ-1Z=0.42σb=453 MPa；kσ為應力集中系數，kσ=1；εσ為尺寸影響系數，εσ=1；β為工藝系數，β=0.6；Ψa為角系數，Ψa=0.2。

由文獻[3]可得，許用安全系數[n]=1.3～1.5。71號單元在最大拉力工況下的應力值σ拉為285 MPa，在最大爆發壓力工況下的應力值σ壓為-28 MPa。

經計算，n=1.59。

n>[n]，由此判斷該連桿螺栓在額定工況下是安全的。

4 結語

本文通過對某V8柴油機連桿螺栓在額定轉速時2種極限工況分別進行了有限元計算和強度校核。結果顯示，最大拉力工況時最大應力出現在連桿螺栓上的71號單元，其應力值約為285 MPa，疲勞安全系數為1.59，滿足第4強度理論和疲勞強度設計要求。

[1] 高偉.發動機12.9級連桿螺栓的材料與工藝[J].材料工藝設備,2005(11)：28-29.

[2] 成大先.機械設計手冊：第2卷[M]. 北京：化學工業出版社, 2007： 6-22.

[3] 西安交通大學材料力學教研室.材料力學[M].北京：人民教育出版社,1979.

[4] 趙騰倫.ABAQUS6.6在機械工程中的應用[M]. 北京：中國水利水電出版社,2007.

[5] 沈平.35 m拼接式躉船連接螺栓有限元強度分析[J].江蘇船舶,2014，31(2)：10-11.

2016-04-04

林瑋(1983—)，男，工程師，研究方向為振動與噪聲控制。

U664.121

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