02 Abaqus年会论文2013-ABAQUS在船用柴油机研发中的应用（投稿）

第 22 卷增刊 2 计算机辅助工程 Vol 22Suppl 2 2013 年 10 月 Computer Aided Engineering Oct 2013 论文所属行业 船舶 ABAQUS 在船用柴油机研发中的应用 刘利军 吴朝晖 李帆 沪东重机有限公司技术中心 上海 200129 摘要 以某型大功率船用柴油机为对象 介绍 Abaqus 在船用柴油机开发过程中整机及零部件 固 定件 运动件和受热部件 设计仿真分析方面的应用 结果表明 基于有限元仿真分析的现代设 计方法在产品开发中起到了非常重要的作用 关键词 船用柴油机 ABAQUS 仿真分析 中图分类号 TK422 文献标志码 B ABAQUS Application in the R ABAQUS Simulation Analysis 0 引言 CAE 作为现代设计手段和核心技术 可以满足 船用柴油机设计开发仿真分析的需求 一方面能够 从结构 热 流体 电磁等多个物理场综合反映柴 油机的内在工作机理 比较分析对标机型的性能 预测产品设计的合理性 另一方面 克服了传统设 计方式的不足 缩短研发周期 降低产品开发成本 极大地提升了产品研发效率 1 Abaqus 作为一款功能强大的有限元分析软件 不但能分析复杂的固体力学 结构力学系统 还能 够驾驭庞大复杂问题和高度非线性等问题 还可以 进行单一零部件的力学和多物理场的分析 以及系 统级的分析和研究 因此 本文将介绍在大功率船用中速柴油机开 发过程的设计阶段 利用 Abaqus 进行主要零部件 结构仿真分析的情况 分固定件 运动件和受热零 部件 3 种类型 涉及的零部件主要包括机体 连杆 缸盖和缸套等 1 整机变形分析 本文基于新开发的大功率船用中速柴油机 其 主要参数如下 表 1 主机参数列表 机型 单位 参数 机型 单位 参数 缸数 缸数 V 型 12 缸径 缸径 mm 390 冲程 冲程 mm 550 单缸功率 单缸功率 kW 850 额定转速 额定转速 rpm 600 最大爆发压力 最大爆发压力 bar 250 1 1 整机有限元分析 建立整机模型 主要包括机架 主轴承 缸套 机架侧盖板 凸轮轴盖板 缸盖 缸盖螺栓和油底 壳等 总的单元数和节点数分别为 854 000 和 1 370 000 总重量 58 000kg 收稿日期 2013 06 28 作者简介 刘利军 1976 男 内蒙古人 高级工程师 工学博士 研究方向为柴油机结构设计及仿真分析 tech 吴朝晖 1972 男 上海人 高级工程师 工程硕士 研究方向为大功率中低速柴油机设计及制造 李帆 1978 男 湖北武汉人 高级工程师 工学学士 研究方向为中速柴油机总体设计及制造 增刊 2 各部分 及质量见下 机架 3 主轴承座 缸盖 1 缸套 5 冷却水套 油底壳 凸轮轴盖 机体盖门 缸盖螺栓 1 2 机体静 考察机 不同支撑位 图 1 分的有限云模 下表 表 2 各部分有 30000 kg 座 2200 kg 14000 kg 5300 kg 套 1800 kg 3000 kg 盖 155 kg 门 570 kg 栓 1300 kg 静变形 机体在自重作 位置的机架纵 整机模型 模型 材料 单 有限元模型数据 材料 GJ 单元数 节点数 g 材料 GJ 单元数 节点数 材料 GJ 单元数 节点数 材料 GJ 单元数 节点数 g 材料 GJ 单元数 节点数 材料 S2 单元数 节点数 材料 GJ 单元数 节点数 材料 GJ 单元数 节点数 g 材料 42 单元数 节点数 用下的变形情 纵向相对变形 单元数和节点 据列表 JS 400 15 625000 1010000 JS 400 15 40000 69000 JS 400 15 73000 82000 JL 250 38000 40000 JS 400 15 13000 23000 235JRG2 37000 39000 JL 250 5500 5000 JL 250 9000 7500 2CrMo4 13000 14000 情况 可得到 基准点为曲 计算机辅助工 点数 到在 曲轴 中心 通过 析 所开 主要 对此 2 全部 缸段 缸盖 联接 2 1 EQ 工程 心线 测量点 过结果比较 接下来该模 模拟真实工 开发的柴油机 要介绍柴油机 此不再赘述 固定件静 在此以 机 部的模型 需 段建立有限元 盖螺栓 缸套 接螺栓等 进 变形和应力 关键部位的 接触分析 螺栓动态应 图 边界条件 一端约束 QUATION 约 点为轴承座 曲 选取合适的 图 2 整机支撑 模型还可以用 工作条件下整 机符合船级社 机研发过程中 静力学分析 机架静力学分 需要的计算代 元 模型包含 套 机架 轴 进行如下几个 力分析 的高周疲劳分 接触分离 应力分析 3 机架应力分 UX UY UZ 约束 支座底 曲轴中心线投 的主机支撑方 撑位置分析 用于进行整 整机的振动特 社规范的要求 中ABAQUS的 析 分析 为例 代价较大 因 含缸盖 简化 轴瓦 主轴承 个方面的分析 分析 相对滑动 析有限元模型 Z 3 个方向 底平面全部固 2013 年 投影 位置 方案 机的振动分 特性 以证明 求 由于本文 的使用情况 考虑到建立 因此选取 2 个 化 垫圈 承盖 主轴承 析 另一端用 定 分 文 立 个 承 增刊 2 除了施 件之间的间 2 2 载荷 主要有 2 3 计算工 考虑 8 转速和 110 2 4 计算结 2 4 1 机架 选取关 行应力结果 2 4 2 接触 评估所 压力 2 4 3 接触 在全部 所示 对于 发生 而若 部位有接触 2 4 4 螺栓 图 4 机架 施加位移约束 间隙和过盈配 有气体压力 工况 80 额定转速 超负荷 4 种 结果 架应力结果 关键部位的最 果评价 图 5 机 触评估 所有载荷步下 图 6 主轴承盖 触间隙 部载荷步中 于初始有间隙 若在主轴承盖 触滑移发生 图 7 主轴承 栓动态应力评 架约束边界条件 边界条件外 配合等接触边界 螺栓预紧力和 速 100 额定 种工况 最大主应力和 机架应力云图 下机架各部件 盖接触压力分布 最大的接触开 的部分 可允 联接螺栓与主 是不能允许 承盖接触开口分 评估 件 还考虑各零 界条件 和轴承载荷 定转速 110 和最小主应力 件间的最大接 布云图 开口情况如下 允许接触开口 主轴承盖的接 的 分布 计算机辅助工 零部 超 力进 接触 下图 口的 接触 法 脚螺 全系 于 2 3 运动 缩比 件的 套 栓等 3 1 的惯 其中 易对 至导 力及 估轴 外 况下 行校 3 2 工程 螺栓动态应 分别对轴承 螺栓进行动态 系数分别为 3 2 0 即可 图 运动件力 以连杆为例 动件之一 连 比 弯曲变形 的损坏 对于 杆身 连杆 等 计算目的 连杆主要承 惯性力 重力 中 气体力 惯 对连杆造成疲 导致屈曲失稳 通过有限元 及变形 并以 轴瓦与连杆以 还要进行连 下的应力估算 校核 2 计算内容 针对连杆主 变形分析 应力分析 屈曲分析 接触分析 螺栓动态应 HCF 高周疲 应力的评估一 承盖横向螺栓 态疲劳强度分 3 6 4 11 和 8 螺栓动态应 力学分析 例进行分析 连杆的长度变 形还会导致摩 于船用连杆 杆大端 连杆 承受的载荷有 力 摩擦力 弯 惯性力导致连 疲劳损坏 气 稳 元计算 研究 以此为基础分 以及连杆各部 连杆的屈曲分 算 根据计算 主要开展下几 应力分析 疲劳应力分析 图 8 连杆 一般采用参 栓 轴承盖垂 分析 经计算 和 13 5 一般 应力安全系数 连杆是柴油 变形将直接影 摩擦加剧 引 其主要组成 杆大端轴承盖 有 气体作用 弯曲载荷 装 连杆承受反复 气体力还使杆 究连杆在不同 分析连杆的疲 部分之间的接 分析 螺栓在 算结果 对连 几方面的仿真 析 杆模型 2013 年 考规范的方 垂向螺栓 底 算 螺栓的安 般要求该值大 油机最重要的 影响燃烧室压 引起相连接部 成部分有 衬 盖 轴瓦及螺 用力 运动件 装配静载等 复拉压作用 杆身受压 甚 同工况下的应 疲劳性能 评 接触特性 此 在动态受力情 连杆的设计进 真分析 方 底 安 大 的 压 部 衬 螺 件 甚 应 评 此 情 进 增刊 2 3 3 载荷工 为了能 的应力特性 总共定义了 工况 CASE1 CASE1 100 定义两 定义轴 CASE2 CASE2 CAS 杆和活塞组 CASE3 CASE3 CAS 杆和活塞组 CASE4 CASE4 CAS 杆和活塞组 CASE5 CASE5 CAS 杆和活塞组 3 4 计算结 与机架 要包括最大 触面压应力 应规范对计 性 篇幅所 4 受热部 受热部 活塞构成燃 冷却水腔 机构和喷油 盖 缸套承 燃机工作条 对气缸 预紧力 热应 仿真分析 对 判断设计是 4 1 计算目 评估缸 的变形和强 4 2 计算内 1 热分析 2 结构应 装 热 气 工况 能比较全面的 性 并为后续 了 5 个载荷步 0 螺栓预紧力 两个轴瓦之间 轴瓦和曲柄销 SE1 570rpm 组件 此转速 SE1 600rpm 组件 此转速 SE1 635rpm 组件 此转速 SE1 600rpm 组件 气体最 结果 架静力学分析 大主应力 最 力 接触面分 计算结果进行 所限 不再展 部件 部件主要包括 燃烧室空间 起动阀 安 油器等零部件 承受很高的交 条件最为恶劣 缸盖和缸套进 应力 爆发压力 对气缸盖 缸 是否满足要求 目的 缸盖和缸套在 强度 内容 析 应力分析 装配载荷 热负荷 热分 气体压力 的分析连杆组 的疲劳分析提 步 每个载荷步 力 的接触时的过 座的过盈量 下运动组件惯 速下柴油机的 下运动组件惯 速下为柴油机 下运动组件惯 速下为柴油机 下运动组件惯 最大爆发压力 析结果类似 连 小主应力 M 离 连杆的变 评估 确定设 开 括缸盖和缸套 在气缸盖内一 全阀和燃烧室 件 在内燃机工 变机械负荷与 的零部件之一 进行 预紧力 力 3 种工况 缸套的应力和 在热负荷和机 分析结果 组在不同工况 提供必要的数 步都对应着一 过盈量 惯性力 包括 的输出扭矩最 惯性力 包括 机的额定转速 惯性力 包括 机 110 超负荷 惯性力 包括 力 连杆分析结果 MISES 应力 变形等 依据 设计方案的可 气缸盖与缸 一般有进排气 室 并装有配 工作过程中 与热负荷 是 一 预紧力 热应 况下的热 固耦 和变形进行评 机械负荷作用 计算机辅助工 况下 数据 一种 括连 最大 括连 速 括连 荷 括连 果主 接 据相 可行 缸套 气道 配气 缸 是内 应力 耦合 评估 用下 3 4 3 了缸 分结 阀和 4 4 4 4 数 的热 气阀 4 4 析的 冷却 4 5 4 5 工程 疲劳分析 3 有限元模 计算模型取 缸盖 缸套 结构 喷油 和进排气阀座 图 4 热分析 4 1 初始热 确定相关零 主要有缸盖 热边界条件 阀和阀座处 4 2 热分析 分别对不同 的热边界条件 却水腔壁面的 图 10 缸盖底 图 13 5 应力分析 5 1 边界条 型 取一个单缸 垫片 刮油 油器组件 起 座 图 9 缸盖 缸套 边界条件 零部件各部位 盖底部燃烧面 缸盖 缸套 排气和进气 结果 同零件进行热 件 即缸盖底 的温度分布 底部温度分布 图 图 12 缸套温 排气道区域的 件 如图 9 所示 油环 水套 起动空气阀组 套有限元模型 位的温度和 面 缸套表面 套冷却水侧的 气通道处的热 热分析 得到 底部 排气阀 图 11 排气阀温 温度分布 的水侧温度分布 2013 年 示 模型包含 机架 取部 组件 进排气 对流换热系 面和冷却水腔 的换热系数 热边界条件 到热固耦合分 缸套上部 温度分布 布图 含 部 气 系 腔 分 增刊 2 1 1 约束 约束 对气缸 加 EQUATI 示 约束气 标轴 y 轴 方向 2 2 间隙间隙与与 由于涉 一 需要考 义接触关系 采用小滑移 3 3 载荷 1 载荷 1 螺栓螺栓预预 在缸盖 盖螺栓预紧 栓 起动空 紧力 2 2 燃气燃气压压 分别在 部施加 P 2 内表面 由 之递减 所 力曲线 进气阀 气压力 取 4 5 2 计算结 主要考 和垫片受力 1 1 缸盖缸盖应应 应力分 局部应力集 较复杂 一 热负荷 爆压 态下的最大 缸体的其中一 ON 对称性边 气缸体侧面的 轴垂直气缸体 图 14 位移约 与与过盈 过盈 涉及的零部件 考虑各零部件 系 对于各个 移接触 摩擦 预预紧力 紧力 盖和缸套的有 紧力对之的影 空气夹具螺栓 压压力 力 在缸盖底部的 50bar 的爆发 由于在竖直向 所以在结构强 阀座 排气阀 取最大爆发压 结果 考察各工况下 力情况 应应力 力 分析是评价缸 集中会引起缸 一般考察缸盖 压状态 如图 大 小 主应 侧约束 x 方 边界条件 如 y 方向 坐标 表面 对气缸 约束边界条件定 件较多 且相互 之间的间隙或 零部件的接触 擦系数取 0 19 限元计算中 影响 还需考虑 和压力传感器 燃烧面 缸套 发压力 对于缸 下的方向上 度计算中施加 座和起动空气 力 缸盖应力分 缸盖 缸套安全 缸盖的热裂 缸 盖在装配状态 图 15 和 16 所 应力图 向 另一侧则 如图 14 的右图 标轴采用局部 缸体底部约束 定义 互间配合关系 或过盈配合 触在应力计算 除了要考虑 虑喷油器夹具 器夹具螺栓的 套和刮油环的 缸套和刮油环 气体压力会 加线性方程的 气阀座上施加 分布 缸套变 全性的基本内 缸盖受的应力 态 热负荷状 所示 和卸载 计算机辅助工 则施 图所 部坐 束 z 系不 定 算中 虑缸 具螺 的预 的上 环的 会随 的压 加燃 变形 内容 力比 状态 载状 2 1 2 1 发现 起主 形的 缸套 第一 孔的 触部 缸套 h 0 圆形 的变 2 2 取出 处于 缸套 向变 阶次 同 工程 图 15 热 图 16 热 缸套变形 径向变形 缸套变形 径向变形 在缸套变形 现引起缸套变 主要作用 其 的分析中 主 套经过傅里叶 a 缸套示 由上图可以 一活塞环位置 的结构影响 部位 变形大 套变形较大 0 在缸套的 形向外扩张 变形大至成椭 径向变形径向变形沿沿 在气缸套的 出这些节点的 于顶平面上的 套径向变形沿 变形的情况 缸套变形经 次下变形的叠 通过上面傅 负荷 爆压状态 热负荷 爆发压 形影响因素以 变形的各种影 其次是螺栓预 主要考察冷装 叶变换后的变 示意图 b 冷 图 17 缸套 以看出 缸套 置处 h 89 5 最小径向变 大至成圆形状 最大膨胀 的上部 h 0 在缸套下部 椭圆状态 沿沿轴向分布 轴向分布 的轴线方向布 的坐标 然后 的点作为原点 沿轴向分布图 经过傅里叶变 叠加 不同阶 傅里叶变换得 态下的最大主应 力下的最小主 以及控制缸套 影响因素中 预紧力 所以 装配状态和热 变形量 冷装配 c 套变形 套的最大径向 由于受到 变形发生在缸 状态 在热负 的部位发生 340 缸套 部 h 697 1 布置节点集 后将其绘制在 点的局部坐标 图 基本可以 变换后可以 阶次对缸套变 得到的各阶幅 2013 年 应力图 应力 套变形方面 温度的影响 以在对缸套变 热负荷状态下 热负荷 向变形发生在 到外侧冷却水 缸套与机体接 负荷工况时 在缸套顶部 套变形大至成 1038 缸套 计算完成后 在以缸套内壁 标系下 得到 以反映缸套轴 看作是所有 变形的贡献不 幅值 找到对 响 变 下 在 水 接 部 成 套 后 壁 到 轴 有 不 对 增刊 2 缸套变形影 和热负荷工 图 18 图中阴 况下变形量 配工况下和 可以看出第 3 3 接触接触分分 分别考 气体压力和 参考文献 1 张坚 船用柴 2 ABAQUS Us 作者简介 刘利军 19 tech hhm c 吴朝晖 197 李帆 1978 影响较大的阶