主軸承座長短螺栓連接結構強度分析研究

丁先威，趙建華，張瑞波

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033）

主軸承座長短螺栓連接結構強度分析研究

丁先威，趙建華，張瑞波

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033）

柴油機升功率的大幅度提高對強載度的要求不斷提高，螺栓預緊力加載下模擬計算研究愈發顯得重要與必要。利用有限元軟件ABAQUS強大的求解非線性問題的能力和模擬復雜可靠性的優勢，對某型單缸柴油機機體分別進行長短螺栓連接建模模擬，對比分析當長螺栓截去一部分時，機體的模態頻率、振型和各主要部件的應力變化，探討兩種不同連接方式對主軸承結構強度的影響。

螺栓預緊力；ABAQUS；長短螺栓；模態；振型；應力

伴隨著柴油機升功率的大幅度提高，其對強載度的要求也不斷提高，因此，柴油機機體和主軸承座的承載要求和可靠性越來越受到重視。張瑞波等對螺栓預緊力的單缸機體及主軸結構強度進行了建模分析研究。

螺栓連接作為一種廣泛應用于機械、汽車、電氣、航空等工程領域的連接方式，在不同的外界激勵下通常會表現出一定的非線性，其連接的動力學特性將直接影響到結構在振動環境下的響應。

柴油機機械系統由多個零件通過各種連接方式聯結起來，其性能分析除了重要零部件單獨的性能分析以外，零部件之間的連接特性也是不可忽略的重要方面。

本文基于有限元軟件ABAQUS，對某型柴油機裝配的長螺栓截短，由于模型本身的氣缸體和曲軸箱本身已經用tie約束，故截短螺栓后可以正常提交分析，比較短螺栓連接下，柴油機主要部位的模態頻率與應力狀態。

1 柴油機連結為短螺栓的有限元建模

利用有限元軟件ABAQUS對某型柴油機單缸機，其基本參數：缸徑280mm，沖程330mm，對其長螺栓進行截斷，在不改變其他連接與邊界條件下，將長螺栓，（如圖1所示），由其長度755mm截短至522.5mm，如圖2所示。

運用ABAQUS有限元軟件，對該原有裝配模型進行截短后的短螺栓裝配，其中的氣缸體、主軸承蓋保持原有tie合成方式不變，裝配后的模型如圖3所示。

2 模態分析

由張瑞波等的模態分析可知，仿真模態分析過程中的螺栓預緊力是必須考慮在內的因素。在有限元軟件ABAQUS中統一設定長短螺栓預緊力為1250kN，進行分析模擬計算，長螺栓的頻率A與短螺栓模態頻率B如表1所示。

圖1 長螺栓模型

圖2 截短后的短螺栓模型

對比預緊力下長短螺栓頻率，柴油機裝配為短螺栓后，其前四階的模態頻率和振型區別逐漸增大，特別是第一、第四階模態頻率顯著提升。但也可以發現整個增加過程呈現出非線性、無規律，這是由于影響模態頻率的因素很多，其機理更是十分復雜，目前尚無一個十分通用的有效方法解決這個問題。

3 帶螺栓預緊力連接為短螺栓時應力的計算與分析

圖3 短螺栓有限元裝配模型

表1 預緊力下長短螺栓約束模態頻率對比

考慮軸瓦接觸的情況下進行了裝配應力計算分析，裝配應力計算模型中包含氣缸體、曲軸箱、主軸承蓋、連接螺栓、軸瓦（上下軸瓦采用tie方式連接）。螺栓與氣缸體、氣缸體與曲軸箱之間采用tie方式約束，螺栓與主軸承蓋、主軸承蓋與曲軸箱、軸瓦與主軸承蓋、機體之間定義接觸，加載螺栓預緊力1250kN后，主軸承蓋與螺栓接觸部位的應力達到300MPa，曲軸箱應力達到150MPa，螺栓桿部應力達到800MPa，螺紋與螺桿過度區域面積達到950MPa（此處建模過程中去除倒角）。

較考慮螺栓預緊力時長螺栓下的應力與軸承孔變形，短螺栓連接下的整機應力、主軸承、曲軸箱和短螺栓等局部應力都變大了，且軸承孔變形情況十分嚴重，在實際短螺栓連接情況下，應適當減小其螺栓預緊力，以防造成損壞。這也說明在日常使用過程中，螺栓等的裝配也是重要的，不符合預緊力等的安裝條件的安裝，往往會對設備的正常使用、壽命等產生難以預估的影響。

4 結語

（1）短螺栓連接對柴油機振型產生了較大改變，低階振型頻率特別是第一階由110.6Hz上升到207.2Hz，而振型頻率對柴油機的振動有直接影響，這就提醒在柴油機的設計要充分考慮諸如柴油機長短連接對共振頻率的影響，使其常用工況避免在低階模態頻率區。

（2）本次計算模擬中的短螺栓連接對機體、主軸承蓋、曲軸箱等主要零部件局部應力增大，尤其是軸承口變形嚴重。這啟示我們對大功率，惡劣環境及特殊工況下柴油機的零部件進行設計優化，應當先嘗試通過模擬計算對各零部件優化設計比較，提高各主要零部件性能與可靠性，來達到機體整體的優化設計。

（3）通過運用ABAQUS有限元仿真建模，比較了考慮螺栓預緊力下某型柴油機的機體模型模態振型與應力，通過對比，分析了短螺栓造成的影響，對重要機械零部件的設計優化具有指導意義。同時，由于仿真建模本身具有一定的局限性，實際問題千差萬別，對于此類問題，有條件的情況下，應采用試驗進行論證，如果能運用大量的試驗數據對仿真的結果進行對比分析，在此基礎上減少誤差、優化仿真方法，對實際工程應用會產生更大的價值。

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