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某气缸体与曲轴箱强度分析与结构改进 |
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作者：中国重汽济南技术中心 汪景峰 滕启寨 |
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摘要： 先采用有限元软件Abaqus对某气缸体与曲轴箱进行强度分析， 得到气缸体与曲轴箱一些关键位置的应力分布， 结合疲劳理论计算出这些位置的安全系数， 并针对曲轴箱修改材料后提出了结构改进。
关键词： Abaqus静力强度分析 疲劳强度 气缸体 曲轴箱
1 某气缸体的计算模型与边界条件处理
某柴油机的爆发压力达到16.5MPa，气缸体与曲轴箱上承受着螺栓预紧力与爆发压力的作用，为了了解气缸体与曲轴箱在这两种状态下的应力分布，在这里计算了两种状态——螺栓预紧力与最大爆发压力作用状态。
某气缸体、缸盖与缸盖螺栓的材料参数见下表1
HT280的疲劳强度按120MPa，QT-600的疲劳强度按220MPa（以最小疲劳强度计算）。
机体边界情况，计算时需要确定出缸盖与缸盖螺栓、缸盖与缸垫以及机体之间的受力关系，以便准确地模拟出机体与曲轴箱的实际工作情况。对整个有限元模型，根据实际工作情况，在机体和曲轴箱端面的节点上施加对称约束边界，在离模型考察较远的位置设置固定约束，以限制整个计算模型刚体位移。
螺栓预紧力与爆发压力，通过螺栓预紧力加载方法模拟出主轴承螺栓、缸盖螺栓与副螺栓的作用力，螺栓的预紧力大小可以根据螺栓的强度等级规格大小计算出来。主轴承螺栓型号为M18的10.9级普通螺纹螺栓，最小直径为Φ14.5，每个螺栓预紧力为：155194N，该螺栓的最小直径小于螺纹的直径，所以按最小直径计算；缸盖螺栓型号为M14的10.9级普通螺纹螺栓，每个螺栓预紧力为：108100 N；副螺栓型号为M12的10.9级普通螺纹螺栓，每个螺栓预紧力为：82814 N，10.9级普通螺纹螺栓的屈服极限非比例伸长应力σ 0. 2为940MPa。D12柴油机的爆发压力为16.5MPa，以压力形式施加在模型上。计算模型见图1所示。
图1 气缸体总成计算模型
2 计算结果
计算结果见图2-6。
图3 气缸体爆发载荷作用下第1 主应力分布云图
图4 气缸体爆发载荷作用下第1 主应力分布云图
图5 曲轴箱爆发载荷作用下的第一主应力分布云图
图6 曲轴箱爆发载荷作用下的第一主应力分布云图
3 安全系数计算
安全系数计算公式为：
其中 kσ 为有效应力集中系数包含在应力幅σa 中，ε 为尺寸系数，机体上特征尺寸在5~15mm，根据机械工程手册尺寸系数取0.82，因为缺口和表面情况对灰铸铁的疲劳强度不敏感，表面系数β取为0.8，不对称循环度系数φσ=σb /σ-1= 0.4。
以机体位置5为例进行说明，该处装配应力为58.1MPa，爆发应力为106.6MPa，则平均应力为：σm=（58.1+106.6）/2=82.35MPa；应力幅为：σa=（106.6-58.1）/2=24.25MPa，安全系数为：
图7 曲轴箱修改方案
4 结束语
从机体总成的计算结果来看，机体上装配应力与工作应力都比较小，安全系数较大，最小为1.72，大于1.5的要求。曲轴箱装配应力与工作应力相对较大，安全系数最小为2.25，疲劳强度安全系数较大，如果把曲轴箱的材料改为HT280，材料的疲劳强度将降低45%，修改曲轴箱材料后，曲轴箱上最小安全系数为1.23，安全系数稍微偏低。
曲轴箱修改后，曲轴箱上加强筋处的安全系数可以提高到2.27 以上，能够达到对于1.5 的要求，曲轴箱上安全系数最低的位置在主轴承圆角处，最大能达到1.99，方案4 为最好。曲轴箱修改后，曲轴箱上应力分布更均匀，
使材料的强度得到充分利用。
Abaqus 软件在零件结构设计与改进中发挥了重要作用，指明了设计与改进方向。
参考文献
[1] 陆际清. 汽车发动机设计. 北京：清华大学出版社， 1990
[2] Abaqus Inc. Abaqus 6.6 Documentation(end)
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(11/3/2011) |
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