CAD技术在柴油机机体设计中的应用.pdf

文章编号 l o o o 0 9 25 f 2 0 0 2 0 6 一0 3 0 o l C A D 技术在柴油机机体设计中的应用 薛冬新 于学兵1 1 大连理工大学 大连 宋希庚1 江万河2 16 0 2 4 2 大连柴油机厂 T h eA p p l i c a t i o no fC A Di nD i e s e lE n g i n eB l o c kD e s 蟾n x u eD o n g x i n l Y ux u e b i n g l s o n gx i g e n 9 1 J i a n gw a n h e 2 1 I a l i a nU n i v e r s i l y fT e c h n o l o g y I a a n1 I6 0 2 4 2 D a l i a nD i e s e lW o r k s 2 3 0 1 1 8 A b s t r a c t Am e t h o df o re s t a b l i s h i n gac o m p l e x31 f i n i I ce l e m e n tm o d e lo fae n g i n eb l o c kt gA u t oC A Da n dn n i t ee i e m e n ts o f t w a r ei sp r e s e n t 甜 t h e n0 一Df i n i t ee k m e n tc a i c u I a t j o nf o rae n g i n eb I n c kj s c a r e do u tt oa n a l y z ei t ss u c I u r a ls t r e n g t h B a s e do l lI h ec a l c u I a c e dr e s u l t s t h ew e a kp i n t1 n1 h ee ng i n e b o c ki sd e t e r m i n e d T h e nt h eb 1 c kd e s i g ni si m p r o v e dt og e iar e a s o n a b l es t r u c t u r e T h em e t h o di sb e n e f i t f o rs t r e n g t h e n i n g1 h ee n g i n eb l o c ka n dr e d l l f i g1 h eb l o c kc r a c k 摘要介绍了用A u t oc A l 三维图形处理功能与有限元分析系统相结合建立大规模复 杂结构有限元网格模型的方法 并以此对某柴油机机体进行结构强度分析 通过计算和分析 确认了该柴油机机体的薄弱部位 进而对其进行改进设计 寻求合理的结构方案 这对于提高 机体结构强度 大幅度降低机体裂纹故障率具有指导意义 关键词 内燃机 机体 结构强度 计算机辅助设计 K e vw o r d s I C E n 鲥n e B l o c k S t r u c t u r eS t r e n g t h C A D 中围分类号 T K 4 2 3 1文献标识码 A l 概述 计算机辅助i 殳计已被广泛地应用于工程设计 领域 其日的是在样机制造之前对机体的强度 刚 度 工艺性等进行模拟评估 进行优化设计 A u n c A D 和三维有限元方法的结合应用 提高了内燃 机机体或缸盖等大型复杂零件设计的可靠性 并方便地对某柴油机机体建立网格模型 进行3 一D 有限元分析 对机体裂纹故障进行诊断 并有针对 性地进行改进设计 优化应力分布 2 机体有限元网格模型 在建立三维实体模型的基础上进行自动阿格 划分是现代c A I 技术的基本要求 应该指出 尽 管网格自动生成已有许多方法 如 映射法 布点及 三角化法 拓朴分解法 几何分解法 栅格法 等 2 但是对一些大型复杂结构直接应用这些 方法仍有许多困难 主要表现在两个方面 一是几 何元素过多 使得采用现有算法时一次自动生成网 格需要高性能配置的硬件 目前常用的硬件实际上 难以实现 二是有些结构几何元素太复杂或其尺寸 大小相差悬殊 导致网格生成质量欠佳 使现有算 法难以适应 在现有条件下采用高版本A u t oc A i 软件与 3D 有限元系统相结合的方式是解决 述问题的有 效途径 在对某两种机型机体的3 一D 有限元计算 中 利用A m o c A D 强大的三维造型功能建立机体 实体模型 然后将图形传输给有限元分析程序 采 用非流形几何建模技术o 1 将原几何模型进行表 面拓扑变换 将其分解为多个相对简单的拓朴子 域 分别实现子域的 个个击破 由于非流形模型 收稿日期 2 0 0 l 一 2 2 9 作者简介 薛冬新C 1 9 6 2 一 男 博士生 驯教授 主要研究方向为柴油机c A D 万方数据 2 0 0 2 年第6 期 内燃机工程 3 l 可以实现内部边界的直接查向 故在利用现有算法 分解后的各个子域进行自动网格划分时 不会出现 内部相邻边界的划分错误 在 个个击破 的基础 上 最终完成大型复杂结构的自动网格划分 为了模拟机体实际受载 保证计算的准确性和 应力分布的台理性 将缸套作为壳单元处理 嵌入 机体 一起进行网格划分 机体结构的网格图如图 l 所示 图L 机体网格划分 3 边界条件及负荷 机体的结构和形状十分复杂 其载荷与约束也 P 分复杂 它所承受的载荷有 气体燃烧压力 往 复惯性力 侧推力及螺栓的预紧力等 在实际工作 中 其约束也较复杂 它以四点 前后各二点 支撑 在四个二维弹性支座上 其工作条件十分严酷 对 于许多高速大功率车用柴油机而言 由于机体结构 强度的不足导致裂纹 成为机体设计中的主要矛 盾 因此 优化结构设计 使应力合理分布 是设计 阶段3D 有限元分析的主要任务之一 机体的负荷及边界条件包括几个方面 缸内气体燃烧压力 作用于缸头螺栓处和 主轴承螺栓处 2 回转惯性力和往复惯性力 作用于主轴承 和主轴承螺栓处 3 侧推力 它作用于缸套承压侧和主轴承侧 肇 4 四点弹性支撑 二维 横向和垂向 自由 端两侧各一 输出端两侧各一 弹簧刚度按橡胶垫 的三个方向刚度取 将机体轴向位移约束住 图2 为载荷示意图 图3 为约束示意图 按橡 胶垫局部坐标的三个方向约束 图2 中 为燃烧压力分量 施加于机体顶端缸套周 围6 个螺栓处 方向十 n 为燃烧压力分量 施加于机体下部主轴承 螺栓处 方向0 P 为侧推力 作用于缸套承压侧壁和土轴承 侧壁 方向一 F 为回转惯性力 作用于主轴承侧壁 方向 一 和主轴承螺栓处 方向 F 为往复惯性力 作用于主轴承螺栓处方向 p F F 1F F I 图2 载荷示意图 飞轮壳 图3 约束示意囤 由于侧推力作用在缸套上 然后传给机体 为 了更真实地模拟实际受力情况 将缸套嵌人机体 万方数据 万方数据 2 0 0 2 年第6 期 内燃机工程 3 3 表3 原方案 扩缸殛改进方案计算结果比较 景大应力 N m m 2 方案 鼻粱处泵侧 躁结构8 16 2 9 99 5 简单扩自 2 l3 62 2 08 7 扩自c i 现结构2 1 37 5 1 8 87 全横筋无斜筋 7 6 98 45 垒斜筋置横筋 2 l3 51 9 02 争横筋 争斜筋 2 1 372 2 3 2 计算结果表明 1 轴承座上方横隔板上大横筋的作用 当隔 缸加横筋时 与之相对应的鼻梁处和泵侧处的应力 变小 但是 未加横筋的气缸所对应的鼻梁处和泵 侧处的应力仍然较大 每个缸的隔板都加横筋时 鼻梁处和泵侧处的应力全部显著下降 2 主轴承侧上方斜筋的作用 无大横笳 且在 每个主轴承上方加斜筋 这可使鼻梁处和泵侧处的 有所下降 但下降幅度不大 当在所有横隔板上都 加大横筋且同时加斜筋时 计算结果与只加横筋 每缸都加 时相比 鼻梁处和泵侧处的应力反而有 所增大 3 机体外侧纵向筋的作用 机体外侧纵向筋 对机体的应力影响甚小 加强了曲柄箱的刚度 6 结论 通过对实际柴油机机体结构强度的大量计算 分析表明 A u t o c A D 强大的三维图形处理功能与 三维有限元软件相结合 在解决大规模复杂结构强 度分析中 解决网格自动生成 由于几何元素尺寸 相差悬殊而导致网格质量欠佳等难题的有效方法 所分析的柴油机机体的实际裂纹位置与计算结果 完全一致 说明作者所建立的模型 边界条件的确 定 载荷与约束的处理是正确的 这对于指导机体 的设计具有重要意义 参考文献 l 孙寡广 c A D 技术的发展趋势 J 工程设计C A D 投自动 化 t 9 9 7 5 1 2 1 3 2H u l eKF l n i t ee l e m e n t hR e n e r a t l o n n e t h o d s Af c v l e w a n dc l a s s i n c a t o n J c o m p u t e rA 1 d c dD e s i g n19 8 8 2 0 2 7 豁 3 胡思球一张新访等 有限元闷格生成方挂发展综述 J 计算 机辅助设计与图形学学报 1 9 9 7 4 3 7 8 3 8 3 4 冯立 叶尚辉非流形几何造型技术与应用 J 汁算机 辅助 殳计与图形学学报 1 9 9 8 5 3 9 3 3 0 9 5 魏春源车用内燃帆构造 M 北京 北束理工大学出版 杜 19 9 7 欢迎订阅2 0 0 3 年度 国外内燃机 国外内燃机 是上海内燃机研究所主办的专业技术刊物 是上海市第一届优秀科技期刊 并荣获第 二届上海市优秀科技期刊三等奖 自l9 6 9 年创刊至今已经3 3 周年 得到全行业广大读者的欢迎和支 持 是行业中影响面广发行量大的杂志之 国外内燃机 以国内行业热点问题为中心 以国外实用先进技术为重点 以及时正确报道国外信息 为宗旨 介绍国外内燃机行业生产 科研先进水平 信息及发展趋势 内容包括汽车 拖拉机 船舶 摩托 车 工程机械及机车等用途内燃机的发展动向 设计计算 试验研究 工艺材料 测试技术 燃烧过程 使 用维修等 以及出国考察 国外企业事业介绍 适合内燃机生产 科研 教学及使用维修人员参阅 国外内燃机 万方数据 CAD技术在柴油机机体设计中的应用CAD技术在柴油机机体设计中的应用 作者 薛冬新 于学兵 宋希庚 江万河 作者单位 薛冬新 于学兵 宋希庚 大连理工大学 大连 116024 江万河 大连柴油机厂 刊名 内燃机工程 英文刊名 CHINESE INTERNAL COMBUSTION ENGINE ENGINEERING 年 卷 期 2002 23 6 被引用次数 1次 参考文献 5条 参考文献 5条 1 孙家广 CAD技术的发展趋势 1997 05 2 Hole K Finite element mesh generation methods A reviewand classification 1988 3 胡思球 张新访 有限元网格生成方法发展综述 1997 04 4 冯立 叶尚辉 非流形几何造型技术与应用 1998 05 5 魏春源 车用内燃机构造 1997 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 王义亮 谢友柏 主轴承力作用下的多缸内燃机机体结构动力响应分析 内燃机学报2002 20 5 以某4缸柴油机为例 在建立机体实体模型及机体结构有限元模态分析的基础上 对多缸内燃机机体各部位在曲轴主轴承力作用下的结构动力响应进行 了有限元分析 得到了内燃机机体裙部不同部位及各缸缸套不同部位的结构动力响应曲线 在此基础上 对机体各部位结构动力响应与机体结构模态特征 噪声辐射间的关系以及机体结构振动对缸套与活塞之间流体润滑性能的影响也进行了进一步的讨论 从而为多缸内燃机的设计提供了必要的依据 2 期刊论文 王义亮 谢友柏 四缸内燃机机体结构模态分析 内燃机学报2002 20 1 以某直立四缸柴油机为例 用Pro Engineer软件在建立底部被约束的机体三维实体模型的基础上 对机体结构进行了约束模态的有限元分析 得出了机 体结构的前20阶约束模态的固有频率及相应振型 并与机体自由模态分析结果进行了比较 结果显示出了机体各部分结构振动的强弱分布以及抗振薄弱区 揭示了不同频率范围内机体结构振动模态的特点 同时 分析结果表明 约束模态的固有频率及振型都与自由模态有显著的差别 因此考虑约束边界条件的 机体模态分析对揭示机体结构的动力学特性是非常有必要的 3 期刊论文 王义亮 谢友柏 WANG Yi liang XIE You bai 多缸内燃机机体结构振动响应的激振力分析 煤矿机械 2009 30 8 作为深入研究多缸内燃机机体与缸套结构振动 缸套一活塞系统摩擦学行为与动力学行为耦合作用及内燃机噪声控制等问题的基础 以四缸内燃机为 例 分别对多缸内燃机各缸对应的缸内气体压力 活塞侧推力及主轴承力进行了研究 在此基础上 针对某具体的四缸内燃机 对上述各力及其频谱进行了 计算与分析 4 学位论文 马万福 基于有限元法的内燃机机体振动分析与噪声预测研究 2005 机体作为内燃机的骨架 是内燃机噪声的主要辐射表面 内燃机的激励力大部分都是通过机体传递给其他附件及覆盖件的 所以机体表面振动将直 接影响内燃机的振动和噪声 计算机技术的快速发展使得有限元分析方法在内燃机的减振降噪研究领域得到广泛应用 但是由于机体构造和所受的载荷 很复杂 因此在内燃机设计阶段利用有限元方法预测机体的振动和辐射噪声大多停留在模态分析阶段 而利用机体有限元动力响应分析来预测机体的振 动和辐射噪声的方法刚刚起步 因此本文以柴油机4102BZQ的机体为例 对此方法进行了详细的研究 首先 利用三维建模软件Pro E建立了机体的有限元计算模型 总结了机体计算模型的简化方法 通过利用大型有限元分析软件ANSYS对4102BZQ机体 进行了自由模态和约束模态分析计算 得出了机体在自由模态和约束模态的前十阶的固有频率和振型 分析了约束对机体的振型和固有频率的影响规律 通过增加机体裙部厚度 主轴承隔板厚度和筋板厚度 加大了机体裙部的刚度 提高了机体的固有频率 其次 根据4102BZQ机体的主要工况和各气缸压力曲线 计算了机体各缸活塞侧向力 主轴承载荷和螺栓轴向载荷 根据有限元动力响应分析载荷简 化原则编制了载荷施加命令流程序 合理地对机体施加载荷 利用ANSYS对机体进行了有限元动力响应分析 得到机体各节点的位移响应和机体随时间变 化的应力分布 然后经过对机体有限元动力响应分析结果的后处理 仔细分析了机体表面振动分布情况 分析了活塞侧向力 螺栓轴向力和主轴承载荷对机体表面 振动的影响 同时将振动测试原理与有限元动力响应相结合 从而实现了对机体表面振动速度的频域分析 而且根据GB7184 87 利用机体的动力响应分 析结果预测了整机的振动烈度 最后根据内燃机机体的表面噪声辐射原理提出了利用机体有限元动力响应预测机体表面辐射噪声的一种简单实用方法 文章最后分析了内燃机机体 表面辐射噪声的预测结果与实测值产生误差的原因 并提出了对预测方法的改进措施 5 期刊论文 王义亮 戴旭东 谢友柏 Wang Yiliang Dai Xudong Xie Youbai 多缸内燃机机体自由模态分析 西安 交通大学学报2001 35 5 以某4缸柴油机为例 用Pro Engineer软件在建立机体三维实体模型的基础上 对机体结构进行了自由模态分析 计算出了机体结构的前16阶非刚体 模态的固有频率及相应振型 分析结果显示出了机体各部分结构振动的强弱分布以及抗振薄弱区 因此为多缸内燃机机体动力学优化设计提供了必要的 依据 6 期刊论文 姚美琴 王义亮 YAO Mei qin WANG Yi liang 活塞力激励下的多缸内燃机机体结构振动响应分析 山 西煤炭2005 25 1 应用有限元方法对某多缸内燃机机体在活塞推力作用下的结构动力响应进行了分析 此外 对于缸套振动对缸套 活塞组件间的润滑行为的影响以及由 于活塞推力引起的噪声辐射也作了讨论 基于这些分析结果 可以对内燃机的设计和使用提供必要的指导 以达到降低机体振动 抑制噪声 改善润滑条件 及提高效率等目的 7 期刊论文 廖日东 左正兴 Liao Ridong Zuo Zhengxing 高速大功率车用内燃机机体组CAD的几个关键问题 兵工 学报2000 21 3 本文在概述高速 大功率车用内燃机机体组CAD主要内容的基础上 分析了机体组CAD的成功实现首先应解决的几个关键问题及其相应的解决途径 提 出了制定产品结构和性能的计算机辅助分析 评估标准的构想 并对高速 大功率车用内燃机机体组计算机辅助分析 评估标准给出了相应的制定原则 8 学位论文 张建亭 多缸内燃机机体结构动力学及缸套穴蚀问题的研究 2005 缸套 活塞系统是内燃机的核心构成 缸套穴蚀是内燃机缸套的主要失效形式之一 解决缸套穴蚀问题对提高缸套的使用寿命 保证内燃机经济 可靠地工作具有重要的意义 缸套穴蚀主要是由机体的高频振动和冷却水的高压冲击而引起 本文首先介绍了缸套穴蚀产生的部位 特征及其影响因素 从力学角度分析了缸套穴蚀产生的机理 并且提出了许多预防措施 然后应用ANSYS软件建立了4105型柴油机机体 冷却水和缸套的实体模型 并进行 了模型简化 划分网格后生成了机体有限元模型 整个模型的建立采用的是参数化建模 为优化分析做好了准备 活塞和缸套之间的油膜压力及摩擦力对活塞裙部的往复运动影