王學(xué)甫

（鹽城市地方海事局，江蘇鹽城 224002）

基于CY4102BZQ型廢氣渦輪增壓柴油機結(jié)構(gòu)強度研究

王學(xué)甫

（鹽城市地方海事局，江蘇鹽城 224002）

文章利用有限元法對廢氣渦輪增壓柴油機機體進行了實體和有限元的建立，結(jié)合預(yù)緊工況和爆發(fā)工況下的載荷計算，確定危險部位的應(yīng)力變化規(guī)律，為該類型的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案奠定了基礎(chǔ)。

有限元；載荷；強度；柴油機

0 引言

雖然柴油機發(fā)展歷史不長，但在船舶上的應(yīng)用比蒸汽動力裝置更為廣泛。在全世界海船噸位中，柴油機船噸位所占的比例發(fā)展很快，1924年為4%，1932年14%，1940年24%，而到1955年增至59%?，F(xiàn)在，絕大部分內(nèi)河及沿海小型船舶中，都以柴油機作為主機和輔機；在遠(yuǎn)洋船舶中，30 000 t以下的船舶幾乎全部用柴油機作為主機。船舶是在以一般動力機械不同的條件下工作的，所以除了滿足使用壽命長、工作可靠、經(jīng)濟性好、維護管理方便和易于實現(xiàn)自動化以外，還需要滿足一些其他條件，比如柴油機應(yīng)安裝有可靠的調(diào)速器，以防止主機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的115%；船用可用直接換向的主機倒轉(zhuǎn)時，在動力輸出軸上所測得的功率應(yīng)不小于額定功率的85%，并在此工況下能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)；作為船舶主機時，應(yīng)具有良好的低速工作性能；船用可直接換向的主機，換向時間不大于15 s；用壓縮空氣啟動的船用主機，至少有兩個空氣瓶等。本文以某型廢氣渦輪增壓柴油機為研究對象，首先利用有限元法對該機體進行了實體和有限元的建立，結(jié)合預(yù)緊工況和爆發(fā)工況下的載荷計算，確定危險部位的應(yīng)力變化規(guī)律，為該類型的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案奠定了基礎(chǔ)[1,2]。

1 有限元分析計算

1.1 實體建立

實體建立需要通過建立點、線、面等途徑來確定。由于柴油機內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在建立過程中需要對每個部位的形狀進行確定，同時注意實體之間的連接性[3]。柴油機的主要機構(gòu)組件一般包括：機體、曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電器系統(tǒng)。其中機體是柴油機的骨架，由它來支撐和安裝其它部件；曲柄連桿機構(gòu)是柴油機的主要運動件，它可以把燃料燃燒產(chǎn)生的能量，見圖1。

圖1　發(fā)動機機體三維實體模型

1.2 有限元模型建立

利用I-DEAS Master Series 5.0有限元分析軟件建立機體有限元模型。柴油機的主要部件包括的內(nèi)容很多，主要有機座、噴油嘴、主軸承、機體、進氣管、氣缸套、活塞、連桿、曲軸等。結(jié)合柴油機主要部件可以定義每個組的材料屬性[4,5]，見表1。有限元網(wǎng)格圖見圖2。

表1　材料屬性定義

圖2　發(fā)動機機體有限元模型

1.3 邊界條件

要考慮邊界條件往往需要從結(jié)構(gòu)本身的性能來考慮。通過施加在上面的6個自由度來進行約束。不同部位的對柴油機有不同的約束，因而給出不同位置處進行的約束處理。具體邊界要求見表2。

表2　約束處理

1.4 載荷施加

結(jié)合實際情況，柴油機的載荷施加工況主要有兩種情況：預(yù)緊工況和爆發(fā)工況。而這兩種工況施加需要結(jié)合實際情況得出的數(shù)值進行確定。

1）預(yù)緊工況載荷

柴油機在受到主機瓦體對軸承之間裝配力、螺栓（包括氣缸套、主軸承等）的預(yù)緊力等。首先看到主軸瓦裝配力，通過計算得出該力為6 200 N，均布施加在主軸承上；而主軸承和氣缸套上預(yù)緊力分別為72 kN和53 kN。該力通過溫度力進行施加進而確定螺栓的預(yù)緊力，施加位置為桿件端部。

2）爆發(fā)工況載荷

爆發(fā)工況下載荷為預(yù)緊工況下載荷的1.3倍。而載荷主要有桿力、垂向壓力以及側(cè)向壓力。桿力施加在曲軸上，垂向壓力施加在缸蓋頂部，側(cè)向壓力施加在缸套上方。

1.5計算結(jié)果

為了更好地計算出柴油機每個部位的強度，可采取以下措施：1-12代表了應(yīng)變片設(shè)置的區(qū)域；13位于軸安裝孔的位置；14和15代表螺栓底部內(nèi)外兩側(cè)區(qū)域；16和17表示螺栓底部加強筋的設(shè)置區(qū)域。應(yīng)變片所表達的區(qū)域為9-12；而最大主應(yīng)力所考慮的區(qū)域為1-8和13-17。具體操作可參見圖3，最大主應(yīng)力云圖見圖4和圖5。

圖3 不同區(qū)域位置示意圖

圖4　以隔板為例在預(yù)緊工況下最大主應(yīng)力云圖

圖5　以隔板為例在爆發(fā)工況下最大主應(yīng)力云圖

通過以上分析計算，可以得出不同部位的應(yīng)力結(jié)果。具體的結(jié)果可以見表3~表5。

表3　不同位置應(yīng)變花粘貼處的應(yīng)力值（單位：kgf/mm2）

表4　不同區(qū)域應(yīng)變片方向的應(yīng)力值（單位：kgf/mm2）

表5　不同區(qū)域高應(yīng)力區(qū)主應(yīng)力值（單位：kgf/mm2）

通過以上計算，應(yīng)變花粘貼位置最大主應(yīng)力中在預(yù)緊工況下位于區(qū)域3處的值最大，爆發(fā)工況下最大值也位于區(qū)域3，主要由于缸套座孔受到機體上部向內(nèi)側(cè)彎曲力造成較大的變形所造成的。在應(yīng)變片粘貼位置應(yīng)變片方向的應(yīng)力在10區(qū)域處爆發(fā)工況下的數(shù)值最大，主要是該處的螺栓受到氣缸左側(cè)壁的擠壓力影響造成的。在14區(qū)域中預(yù)緊工況下的高應(yīng)力值最大；同時在13區(qū)域中爆發(fā)工況下的高應(yīng)力值最大。

2 結(jié)論

本文以某型廢氣渦輪增壓柴油機為研究對象，利用有限元法對該機體進行了實體和有限元的建立，結(jié)合預(yù)緊工況和爆發(fā)工況下的載荷計算，確定了危險部位的應(yīng)力變化規(guī)律。

1）本次計算得到的最大壓力為11 Mpa，該力出現(xiàn)在最高爆發(fā)壓力，此時氣缸爆發(fā)時連桿偏轉(zhuǎn)7°。

2）在計算過程中采用粘貼應(yīng)變片，這樣計算的結(jié)果能為后續(xù)試驗打下基礎(chǔ)。

3）由于CY4102BZQ型廢氣渦輪增壓柴油機機體結(jié)構(gòu)不對稱，在實體建模中也存在一定困難，計算后應(yīng)力分布有所不同。

[1]郝志勇,韓松濤.主軸承剛度對曲軸動態(tài)特性影響的研究[J].車輛與動力技術(shù),2001(2):31-35.

[2]韓松濤,郝志勇.6102B型柴油機曲軸三維有限元模態(tài)分析與試驗研究[J].農(nóng)機學(xué)報,2001,32(4):74-77.

[3]曹樹謙,張文德,蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析——理論、試驗與應(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社,2001.

[4]東風(fēng)朝陽柴油機有限責(zé)任公司.4102BZQ型柴油機使用說明書[Z].2012.

[5]R.D.庫克.有限元分析的概念和應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版社,2007.

Study of Structural Strength Based on CY4102BZQ Exhaust Gas Turbocharged Diesel Engine

Wang Xue-fu

(Yancheng Maritime Safety Administration,Jiangsu Yancheng 224002,China)

The paper uses the finite element method to build the solid and finite element of the body of the turbocharged diesel engine.Combining with the preload conditions and outbreak conditions of load calculation,it determines the stress change rules of dangerous position,which lays the foundation for the structure design scheme of the type of machine body.

finite element; load; strength; diesel engine

U663.9

A DOI：10.14141/j.31-1981.2016.05.008

王學(xué)甫（1968—），男，工程師，研究方向：船舶檢驗。