基于區域抑制的V形柴油機機體結構簡化及主軸承座強度分析

崔 楠，劉曉勇，董小瑞，李 達

(中北大學能源動力工程學院，太原 030051)

機體是柴油機的骨架，其支撐與固定著柴油機的很大部分零部件，且有很多的復雜結構。主軸承座作為機體的重要組成部分，處于很復雜的受力狀態[1]。對柴油機機體進行仿真和實驗分析時，重點分析的是主軸承座附近的應力和應變的變化情況[2-3]。機體結構的簡化，可以降低機體的復雜性，對機體的仿真分析與實體實驗分析具有重要意義。

中外學者已經對柴油機主軸承座結構進行了大量的研究。如楊萬里等[4]研究提出了在主軸承座分析中不同工況仿真可提高計算結果的準確性。鄭康等[5]在研究機體強度時，得出在保證主軸承座的結構強度的情況下可對機體結構進行優化。以上研究主要針對主軸承座結構的分析。此外，中外學者對于模型簡化也做了許多的研究。如李明[6]和Sun等[7]都對模型的簡化方法做了一定的研究。李真[8]在對飛機偏心受載加強筋結構的研究中提出了用一維和二維的簡單結構來代替復雜結構進行簡化的方法。嚴曉琳等[9]在Abaqus中對風力機塔筒螺栓連接處進行了模型的簡化分析。周冬冬等[10]對柴油機機體結構設計進行了一定的分析，簡單提出了在保證機體剛度與強度的情況下，可對機體進行輕量化的設計。但是，其研究只停留在理論階段，并沒有實質性地研究成果。

為此采用區域抑制的模型簡化方法對機體模型進行一定簡化，并在Abaqus中通過施加相同的位移邊界條件、載荷邊界條件、接觸邊界條件，計算原模型與簡化模型的預緊工況和最大載荷工況。通過對比原模型與簡化模型的機體與主軸承蓋的最大主應力和主軸承孔變形，希望得到與原模型誤差在5%以內的簡化模型。使用簡化模型替代原模型進行實驗與仿真分析，一方面可以提高仿真計算時的速度，另一方面也可以降低實體試驗時鑄造機體的復雜性。

1 模型簡化

使用的是單隔板的柴油機機體模型作為原模型并對其進行簡化，采用的是區域抑制的模型簡化方法。單隔板模型的兩側是基本對稱的，因此模型的簡化也是同時在兩側進行的。主要對氣缸附近內孔凸臺、內孔螺栓面、氣缸、機體外部凹臺、外孔螺栓面及機體側面圓六個區域逐一簡化從而得到最終的簡化模型[11]。

對于區域抑制的模型簡化方法，主要分四步進行：①確定模型的簡化區域及其邊界循環；②將簡化區域的復雜邊界環分解為簡單和共面的子循環；③使用共面環構建簡化新的邊界；④得到簡化模型。

總體來講，該簡化方法是對模型中復雜的區域進行一定的降維共面處理。該方法流程如圖1所示。

圖1 簡化方法流程圖

對于本文使用的單隔板模型，需要簡化的六個區域如圖2所示。六個區域使用區域抑制的模型簡化方法，對模型中復雜的結構特征進行簡化。具體如下：①內孔凸臺削平；②內孔螺栓面凸起處削平，凹陷處填平；③氣缸內各圓柱面直徑統一為氣缸最大直徑；④外部凹臺填平；⑤外孔螺栓面凸起處削平，凹陷處填平；⑥側面圓孔填平。

圖2 原模型

按順序對模型簡化，每部分簡化后計算結果與原模型進行對比，確認可行性后，得到最終的簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型

2 有限元建模

2.1 模型建立及網格劃分

使用的柴油機單隔板模型由氣缸體、軸瓦、曲軸、主軸承蓋及連接螺栓構成。在Abaqus軟件中對模型進行網格劃分時,模型中重點關注的主軸承座附近的結構、機體與各部件接觸部位及機體上復雜的結構進行網格加密處理[12-13]。為了保證足夠的計算精度，對氣缸體、軸瓦、主軸承蓋和連接螺栓采用十節點二次四面體單元進行網格劃分，對軸瓦采用八節點六面體單元進行網格劃分，原模型網格劃分如圖4所示，其總單元數為631 185，總結點數為 973 798。對簡化模型采用相同的網格劃分方式進行網格劃分，最終簡化模型的網格劃分如圖5所示，最終簡化的模型總單元數為604 148，總結點數為933 079。

圖4 原模型網格劃分

圖5 簡化模型網格劃分

2.2 邊界條件設置

主軸承座分析包括預緊與最大載荷工況,邊界條件設置包括接觸關系、載荷和邊界約束等設置：①氣缸體頂部設置為限制全部的自由度；②機體外部前后面設置限制單方向自由度；③曲軸中心點設置載荷。

3 結果分析

為了驗證簡化模型的可信度，首先對比原模型與簡化模型的應力云圖，其次采取對比相同坐標值計算結果的方式，得到原模型與簡化模型在機體與主軸承蓋的最大主應力和主軸承孔變形的對比數據。通過對云圖和對比數據的分析來驗證簡化模型的可信度。

3.1 機體第一主應力

圖6 機體最大主應力云圖

在對機體模型簡化后，機體上的應力會有一定的變化。為了驗證簡化模型的可信度，首先對原模型與簡化模型在預緊工況和載荷工況下的最大主應力云圖進行了對比，如圖6所示。其次，在云圖上考察了比較特殊的區域，通過選取相同坐標的方式對簡化模型與原模型進行采點，考察區域如圖7所示，結果對比如表1、表2所示。

圖7 機體最大主應力考察區域

表1 預緊工況機體最大主應力對比

表2 載荷工況機體最大主應力對比

通過最大主應力云圖的對比發現其在主軸承座附近區域的應力云圖基本是相同的，由此可以表明在模型簡化后不會對主軸承座附近的應力有大的改變。

為了保證對比結果的可靠性與準確性，在機體最大主應力云圖考察了7個區域。通過對數據分析發現最大主應力的高應力區為1區域，在選取相同坐標值的情況下分析其應力變化，1區域原模型與簡化模型最大主應力在預緊工況和載荷工況下的誤差分別為4.737%和2.782%，滿足要求的5%的誤差精度。從表可以看出來，原模型與簡化模型的考察區域最大主應力的誤差基本都在5%以內，由此可以初步驗證簡化模型的可信度。

3.2 主軸承蓋第一主應力

主要研究的是機體模型簡化對主軸承座附近的影響。主軸承蓋作為機體的接觸部分，在簡化模型后，會對其產生一定的影響，對其進行應力分析是必不可少的。

對比原模型與簡化模型在預緊工況和載荷工況下主軸承蓋的最大主應力云圖，如圖8所示，其云圖相似，表明模型的簡化對主軸承蓋的影響不會太大。在主軸承蓋最大主應力云圖上考察了8個區域，如圖9所示。對其進行對比如表3、表4所示，其誤差基本控制在2%以內，驗證了簡化模型的可信度。

圖8 主軸承蓋最大主應力云圖

圖9 主軸承蓋最大主應力考察區域

表3 預緊工況主軸承蓋最大主應力

表4 載荷工況主軸承蓋最大主應力

3.3 主軸承孔變形

通過主軸承孔變形圖與失圓度兩方面來分析原模型與簡化模型的主軸承孔變形。

首先，對主軸承孔變形圖進行對比，將原模型與簡化模型主軸承孔變形放大100倍，如圖10、圖11所示，發現其變形基本是相同的。

其次，對原模型與簡化模型主軸承孔的前側、后側以及中間三個區域圓進行考察，分別收集三個區域圓上所有節點的位移，通過失圓度計算公式得到最后的失圓度，其失圓度對比如表5、表6所示。通過失圓度數據的分析，其誤差控制在1%以內，由此可以驗證簡化模型的可信度。

圖10 原模型變形圖

圖11 簡化模型變形圖

表5 預緊工況失圓度對比

表6 載荷工況失圓度對比

通過對比原模型與簡化模型的機體與主軸承蓋最大主應力和主軸承孔變形的情況下，發現原模型與簡化模型的云圖基本是相似的，計算結果的誤差基本控制在5%以內，由此可以確認簡化模型的可信度。通過對模型的簡化及主軸承座強度分析，確認了模型簡化方案的可行性，通過使用簡化的模型代替原模型可以減少了機體上結構的復雜性，這對于實體實驗與仿真計算都有著一定的便利性。

4 結論

采用基于區域抑制的模型簡化方法，對柴油機機體模型提出了一套簡化方案，使用有限元計算得到了原模型與簡化模型計算結果，通過對比計算結果確認了其滿足要求的誤差精度，確定了簡化模型的可信度及簡化方案的可行性。該簡化方案具有以下特點。

(1)模型簡化了氣缸附近的結構，降低了劃分網格的復雜性。

(2)簡化模型相比原模型網格數目減少，提高了仿真計算速度。

(3)通過使用簡化模型替代原模型進行實體實驗分析時，可降低鑄造機體的困難性。