趙軍友

(中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580)

0 引 言

傳統(tǒng)的曲軸鑄造工藝設(shè)計(jì)方法是基于物理樣機(jī)通過不斷調(diào)試樣機(jī)參數(shù)，反復(fù)進(jìn)行修改優(yōu)化最終確定方案。顯然這種方法的首要條件就是要制造物理樣機(jī)，這將會增加投入資本，通過不斷調(diào)試樣機(jī)反復(fù)試驗(yàn)確定最佳參數(shù)，這顯然又會增加產(chǎn)品的生產(chǎn)周期[1-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生?；谏鲜霰尘埃O(shè)計(jì)方案的整體規(guī)劃是：首先對各零部件進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，然后利用有限元方法仿真得到各個(gè)零部件的應(yīng)力分布，通過文獻(xiàn)和目前技術(shù)[5-12]，并預(yù)測出各個(gè)零部件的疲勞壽命。利用該方法只需要建立一個(gè)實(shí)物模型進(jìn)行疲勞試驗(yàn)即可確定各個(gè)參數(shù)，這種設(shè)計(jì)方法較傳統(tǒng)方法相比明顯降低了資金投入、縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。此外，在內(nèi)燃機(jī)中曲軸是其主要受力的零部件，曲軸的動(dòng)力學(xué)特性直接關(guān)系到整個(gè)內(nèi)燃機(jī)中的各種重要指標(biāo)，尤其是疲勞壽命。因而對曲軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 曲軸Pro/Engineer建模

1.1 三維模型建立

本次所要設(shè)計(jì)的對象是柴油機(jī)曲軸，但其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，需要對其實(shí)際模型進(jìn)行簡化[13-16]，考慮應(yīng)力較集中不利于建模，將曲軸不同截面的結(jié)合處設(shè)計(jì)半徑較小的倒角，同時(shí)考慮到曲軸和軸承間的潤滑問題，在曲軸上設(shè)置許多油孔。為了確保曲軸模型進(jìn)一步簡化，將倒角、油孔、凸臺、鍵槽、螺紋等對整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響較小幾何特征忽略掉。連桿軸頸兩端的內(nèi)圓角是應(yīng)力集中的危險(xiǎn)處，所以不可以忽略。圖1所示為利用Pro/Engineer軟件設(shè)計(jì)的曲軸飛輪組模型。

圖1 曲軸飛輪組三維模型

1.2 曲軸飛輪組網(wǎng)格劃分

這里選用HyperMesh網(wǎng)格優(yōu)化處理方法，該方法將模型切割成塊，圖2所示即為具體的模型切分，以及曲軸飛輪組網(wǎng)格劃分后的有限元模型。

(a)切分圖(b)有限元模型1(c)有限元模型2

有限元模型的具體處理、建立單元、節(jié)點(diǎn)編號如圖3所示。將曲軸飛輪組三維模型導(dǎo)入到HyperMesh中進(jìn)行離散化，采用高精度的六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共劃分了8 181個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 426個(gè)單元。

圖3 曲軸實(shí)體模型耦合節(jié)點(diǎn)的定義和編號

2 動(dòng)力學(xué)仿真Excite模型的建立

Excite是一款專門針對于動(dòng)力單元振動(dòng)及噪聲而開發(fā)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件。采用該軟件對曲軸系中的全部運(yùn)動(dòng)件和滑動(dòng)軸承的非線性振動(dòng)進(jìn)行建模仿真，下面詳細(xì)介紹部分有關(guān)Excite建模過程中所涉及到的較重要的步驟及參數(shù)設(shè)置。

2.1 定義體單元和連接單元，定義力學(xué)耦合關(guān)系

模型單元連接如圖4所示，按照計(jì)算的要求，對各零部件定義如下：

活塞和活塞銷。將活塞和活塞銷作為一個(gè)整體將其安裝在連桿的小頭上。

連桿。利用EXCITE的Conrod Modeler來建立，設(shè)置連桿材料特性密度為7 850 kg/m3、彈性模量為210 kPa、泊松比為0.3。

曲軸。利用CON6類型的單元體對曲軸飛輪組進(jìn)行定義。在曲軸實(shí)體CAD模型網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力計(jì)算和疲勞壽命分析。為了便于定義曲軸與機(jī)體、連桿等之間的傳力關(guān)系，需要將各主軸頸和連桿軸頸上取節(jié)點(diǎn)，然后將其耦合到曲軸旋轉(zhuǎn)軸線上的節(jié)點(diǎn)，利用同樣的方法確定飛輪的節(jié)點(diǎn)和耦合關(guān)系，考慮到要進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力計(jì)算，在進(jìn)行定義時(shí)要確保曲軸有限元模型耦合節(jié)點(diǎn)同CON6曲軸模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)相對應(yīng)。

機(jī)體。用來定義機(jī)體的單元體為SMOT類型的單元體，同樣導(dǎo)入單元體的縮減模型。

圖4 模型單元連接圖

本次建立的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型所涉及到的單元體連接、約束關(guān)系，它們主要是由以下幾部分組成：曲軸主軸頸與機(jī)體主軸承之間的滑動(dòng)軸承連接、曲軸止推主軸頸與機(jī)體止推主軸承之間的止推連接、曲軸連桿軸頸與連桿大頭之間的滑動(dòng)軸承連接、連桿小頭與活塞銷之間的滑動(dòng)軸承連接、活塞與缸套之間的滑動(dòng)導(dǎo)軌連接等。不過這些參數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響較小，且此次使用典型的方式進(jìn)行定義，與此同時(shí)，結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對較小影響參數(shù)進(jìn)行忽略。此外，利用自動(dòng)搜索節(jié)點(diǎn)，即可自動(dòng)讀取相關(guān)的有限元文件，將具有同一種特征的節(jié)點(diǎn)編成一節(jié)點(diǎn)組。圖5所示即為連接單元定義以及整體計(jì)算模型示意圖。

圖5 連接單元定義以及整體計(jì)算模型示意圖

2.2 定義外載工況

圖6所示為按照有關(guān)內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)爆發(fā)壓力要求進(jìn)行計(jì)算定義的外載工況。

(a)1 600 r/min load 80%

(b)11 800 r/min load 80%

(c)2 200 r/min load 100%

3 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析及應(yīng)用

3.1 典型工況的動(dòng)力學(xué)特性

按照上文所提到的計(jì)算模型，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)在80%～100%負(fù)載率范圍，1 600 r/min～2 200 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各種典型工況的動(dòng)力學(xué)特性，即在一個(gè)工作循環(huán)(取曲軸轉(zhuǎn)角720°CA～1 440°CA)內(nèi)，曲軸上各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間歷程。通過分析可知曲軸受到的載荷主要來自于連桿大頭對其作用力及曲軸的轉(zhuǎn)矩。筆者對1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min、2 200 r/min下節(jié)點(diǎn)200上的載荷歷程進(jìn)行了分析。圖7所示為2 000 r/min下節(jié)點(diǎn)200上的載荷歷程圖。

3.2 靜應(yīng)力分析和疲勞分析

在曲軸有限元模型上節(jié)點(diǎn)200的X軸和Z方向上分別施加單位力，在節(jié)點(diǎn)110施加單位扭矩，在ABUQUS中提取每一單元的6個(gè)應(yīng)力分量值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在軸頸兩段的應(yīng)力集中處較容易發(fā)生曲軸疲勞破壞，因而針對這些單元的載荷情況要著重進(jìn)行檢查。本文主要針對其中的16個(gè)單元進(jìn)行考查，圖8所示顯示了這16個(gè)單元的具體位置。

圖7 2 000 r/min下節(jié)點(diǎn)200上的載荷歷程

圖8 考查的16個(gè)單元位置

經(jīng)過考查發(fā)現(xiàn)16個(gè)單元中4號單元的疲勞壽命為最短，因而其將為第1個(gè)發(fā)生疲勞破壞部分，針對這一情況對4號單元進(jìn)行具體分析。圖9為4號單元的應(yīng)力分量值、圖10為4號單元的最大絕對主應(yīng)力、圖11為4號單元的隨時(shí)間損傷程度分布。

圖9 4號單元的應(yīng)力分量值

圖11 4號單元的隨時(shí)間損傷程度分布

4 結(jié) 語

本文使用Pro/E進(jìn)行柴油機(jī)曲軸模型的建立，利用Hyper Mesh劃分網(wǎng)格建立有限元模型，使用AVL Excite為主要的計(jì)算平臺，進(jìn)而對內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真，并利用有限元計(jì)算和疲勞分析對該曲軸的疲勞壽命進(jìn)行分析。本文所使用的流程能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞性能進(jìn)行估算，有一定的實(shí)際意義。