柴油机设计的现代分析方法

作者：大连交通大学 吴昌华

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... （一）曲轴 1、曲轴整体的精细分析 连杆颈和主轴颈的圆角部位以及曲轴上的润滑油孔（主要是连杆颈上的）附近的应力集中，是造成曲轴破坏的重要原因。 2、计算模型: 1)连续梁和空间刚架模型：计算精度很差。 2)单拐的二维和三维模型：可以求出应力集中的程度，但不能反映相邻曲拐的影响。 3)当量刚度曲柄的空间刚架模型：使用不方便。 3、曲轴与机体连结的处理办法  利用主从关系。  将各主轴颈中心外表面圆周各节点，与相应的主轴承孔的主轴瓦的对应节点的配合关系按接触问题处理（不计入油膜）。  将各主轴颈外表面上的所有节点，与相应的主轴承孔的主轴瓦的对应节点的配合关系都按接触问题处理（不计入油膜）。 4、曲轴的计算工况  由于发火次序的影响，不能一目了然地确定危险工况。  确定曲轴危险工况的唯一正确办法，就是对曲轴每一个转角分别进行计算，求出各个节点的应力全幅值，产生前几个最大的应力全幅值的曲轴转角就是危险工况。  为了确定危险工况，可以采用简化模型。简化模型的特点是网格分布比较均匀，可以大幅度减少节点数，从而大幅度减小计算工作量。 5、曲轴的动力学计算  只有动力响应计算才能真正求出曲轴各节点的最大和最小应力，进行正确的强度评判。  在曲轴的动力分析模型中，主轴颈与主轴瓦以及连杆颈与连杆瓦之间应考虑油膜，也就是说，在计算模型中认为曲轴是支承在油膜上的。  初始条件：对大功率柴油机，曲轴的动力分析要计算3个工作循环； 对中小功率柴油机，计算的工作循环个数还应多一些。 （二）连杆 1、连杆的精细分析: 连杆大端孔的变形、连杆螺钉的强度、连杆几何形状变化比较剧烈部位和大端剖分面齿根的应力是影响连杆使用可靠性的关键因素。 2、连杆方案设计的计算模型 1)连杆做方案设计时进行平面模型的分析就可满足设计的需要。 2)连杆计算应考虑预紧工况、拉伸工况和压缩工况。 3、连杆各种装配预紧力的施加  螺钉装配预紧力可以用过盈的形式施加在螺钉头与瓦盖的接触面上。螺钉过盈值为其预伸长量与瓦盖的压缩量之和。  连杆大端轴瓦与小端衬套过盈可用常规有摩擦接触问题计算的办法施加。 4、连杆最后校核计算时的计算模型 1)采用三维模型。 2)模型中计入曲轴连杆颈和活塞销。 3)连杆杆身、瓦盖、螺钉、轴瓦和衬套5种零部件的相互配合关系、连杆颈与大端轴瓦的配合以及活塞销与小端衬套的配合与平面模型相同，都按有摩擦接触问题处理。 5、工况与载荷  连杆的计算工况仍为预紧工况、拉伸工况和压缩工况。各工况的计算载荷也与平面模型相同。 （三）活塞 1、活塞的精细分析  活塞顶部，主要研究温度应力。  活塞裙部，特别是其销座部位，强度主要由机械负荷决定。  组合活塞设计的特点：优化顶、裙之间的间隙。 2、活塞的温度场分析  活塞稳定温度场计算应建立三维模型，根据环境温度，采用混合边界条件（第3类和第1类）进行。  瞬态温度场计算通常采用第2类边界条件进行，也可采用与稳态温度场同样的办法来做。采用后者时需要实测提供一些边界节点在每个计算瞬时的温度作为迭代时收敛的判据。 3、组合活塞温度场计算  组合活塞温度场计算与整体活塞的不同之处在于，整个温度场，存在着两种迭代，一种是求活塞整体温度场的迭代，一种是求顶、裙分界面各点接触状态的迭代，二者交替进行，且其计算结果互为另一计算的前提。 4、活塞的静力分析  活塞的静力分析包括温度变形与温度应力的计算，和柴油机最大拉伸工况与最大压缩工况引起的机械变形与机械应力的计算以及对二者迭加后综合应力的分析。 5、计算模型  采用三维实体模型。 6、计算载荷 1)温度场。 2)最大拉伸的机械负荷。 3)最大压缩的机械负荷。 4)组合活塞的活塞螺钉预紧力。 5)活塞还受有气缸套的横向反作用力，这个力比较小，通常忽略之。 （四）气缸盖 1、关注的问题: 1)火焰板上每两个气阀孔之间的“过桥”以及喷油器孔四周部位的应力，特别是温度应力； 2)气缸垫片与气缸盖、气缸套相接触的密封圈平面各点的接触状态； 3)气阀导管的横向变形。 2、计算模型 1)气缸盖的计算只能是采用块体单元的三维模型。 2)缸盖的计算模型必须包括后者以及缸盖螺栓和气缸垫片，并且用接触模型模拟这五个零部件的配合关系。机体与气缸套的配合关系也应用接触问题处理。 3、缸盖的计算  稳定温度场计算。  机械负荷主要应考虑气体爆发压力和缸盖螺栓装配预紧力，气阀对阀座的作用力因数值较小通常予以忽略。 4、缸盖螺栓装配预紧力的施加  螺栓装配预紧力可以用过盈的形式施加在螺母与缸盖顶板的接触面上，过盈值为其预伸长量与缸盖的压缩量之和。 5、缸盖的机械负荷计算工况 预紧工况和爆发工况。 （五）机体 1、机体的精细分析  机体是柴油机的基础，曲轴、连杆、活塞、缸盖、缸套等柴油机主要零部件都直接或间接固定在机体上，所以设计时对机体的强度与特别是刚度都需要做仔细的分析。  应力集中问题在机体上大量存在。 2、机体的计算模型 1)只算单个主轴承座隔墙； 2)空间刚架模型； 3)单纯的机体(包括主轴承盖)； 4)主轴承盖与主轴承座的联接、气缸盖与垫片以及气缸套的联接、气缸套与机体的联接、主轴瓦与主轴承座和主轴承盖的联接、曲轴与主轴瓦的联接以及各种螺栓的联接都按接触问题处理。 3、机体的计算载荷 1)由曲轴各主轴颈作用于主轴瓦的主轴承载荷； 2)作用于各气缸盖火焰板与气缸套内壁的气体压力； 3)作用于各个气缸套内壁上的活塞侧压力； 4)各种螺栓作用力； 5)凸轮轴作用力：数值上相对比较小，通常忽略不计； 6)温度场的影响：计算时温度应力通常予以忽略。 4、机体的计算工况  计算工况的选择可按下列两个原则之一进行： 1)以最中间主轴承座隔墙两侧气缸的爆发瞬时作为计算工况。 2)以产生最大主轴承载荷的主轴承座隔墙两侧气缸的爆发瞬时作为计算工况。 （六）增压器涡轮机转子 1、增压器涡轮机转子的精细分析  工作转速很高，转子的压气机和涡轮机的工作负荷很重，产生的应力很大。  涡轮机转子在工作过程中经常出现的结构问题是叶片飞脱。  循环对称结构的接触问题。 2、作用载荷  涡轮机承受的载荷有气动力、高速旋转起的离心力和温度负荷，而以离心力为主。 3、计算模型 1)对整个转子建立计算模型。 2)只对一个叶片的榫齿与轮盘榫槽的装配按接触问题建立模型，其余榫齿与轮盘榫槽的连接都按连续体计算。 3)方案设计时可采用变厚度平面模型。 4)强度最后校核时应采用三维模型。 （七）增压器压气机转子 1、增压器压气机转子的精细分析  压气机由叶轮、轴套和主轴通过过盈装配而成。  叶轮有整体式和分体式两种。 2、压气机计算的特点  叶轮的结构分析是一个弹塑性问题。  压气机的分析是一个弹塑性接触问题。 3、作用载荷  压气机的作用载荷是气动力和高速旋转产生的离心力，而以离心力为主。  叶轮与轴套以及轴套与主轴之间的过盈配合在计算时也是必须考虑的。 4、计算模型  包括叶轮、轴套和主轴在内的整体三维弹塑性接触模型。 （八）叶轮 1、叶轮的弹塑性计算 1)铝合金的本构关系曲线可看成是线性强化曲线。 2)压气机的弹塑性计算必须采用增量理论，计算时应合理选取加载步长。 2、预超速制造工艺 1)在叶轮加工好、尚未组装之前，对其用大于额定转速的超速转速预加载，在稳定工作一段时间以后再卸载，然后进行装配。 2)采用预超速工艺制造的叶轮，计算时必须按超速转速预加载、卸载以及最后加载的次序进行全过程的计算，预超速加载又卸载后各节点的残余变形应作为最后加载的初始变形来处理。 (end)

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