柴油机部分零部件刚度计算

柴油机部分零部件刚度计算柴油机部分零部件刚度计算 罗国良 康明明 李京鲁 季炳伟 许成 李伟 潍柴动力股份有限公司 摘 要 本文简单叙述了运用 ABAQUS 计算柴油机曲轴 活塞 气门等零部件刚度的步骤和方法 说明 ABAQUS 软件在潍柴 柴油机研发中的应用 关键词 柴油机零部件 ABAQUS 刚度 1 前 言1 前 言 刚度是指结构抵抗变形的能力 刚度问题是工程上重点关注的问题之一 刚度计算可以用来直接评价或校 核结构设计 也可以为其它后续分析提供输入数据 在柴油机设计中 计算曲轴 活塞 气门等零部件的刚度主 要为后续分析提供输入数据 本文中叙述了采用 ABAQUS 软件计算这些零部件刚度的目的和详细方法 2 曲轴单拐刚度计算 2 1 简介 2 曲轴单拐刚度计算 2 1 简介 曲轴单拐刚度是曲轴扭振分析和减振器设计的主要输入参数 因曲拐往往结构复杂 其刚度计算无法直接 采用材料力学公式 以往常采用经验公式 但各种经验公式都是根据有限的曲轴数据归纳得到的 有一定的适用 范围 现在广泛采用有限元方法或试验测试来获得曲拐的刚度 2 2 计算2 2 计算 将单位曲拐一端固定住 在另一端施加扭矩 M 会使曲拐发生扭转变形 角度为 M 的值即是曲拐的 刚度 参见图 1 图 1 曲拐刚度物理意义示意图 计算过程为 1 导入三维几何模型 2 设置材料参数 45 钢 弹性模量 210GPa 泊松比 0 3 3 在曲轴主轴颈端面中心建立一参考点 将其和该主轴颈端面刚性连接起来 用于施加扭矩并获得该点旋转 自由度 如图 2 并在该参考点施加轴向扭矩 M 1000N mm 大小可随意 4 固定曲轴另一主轴颈端面 5 划分网格 运算后测取前述的参考点处扭转角度 曲轴轴向旋转自由度的值 6 利用公式 S M 计算曲拐刚度 即 S 1000 8 60682e 7 1 16e9 N mm rad 图 2 曲拐刚度计算的边界条件和结果 3 活塞径向刚度计算 3 1 简介 3 活塞径向刚度计算 3 1 简介 活塞刚度表示活塞某一区域在外载作用下的弹性变形能力 它会影响活塞的运动状态和受力状态 此处叙 述如何用有限元技术来计算活塞的径向刚度 为 AVL 活塞动力学分析软件提供输入条件 当然 采用的别的软 件也可以参照同样的方式来考虑活塞的径向刚度 活塞的径向刚度可采用刚度矩阵来描述 即 1 从主推力侧开始 每隔一定角度选取一个截面 在活塞侧 面与截面相交线上选取一定数目的点并从下至上进行编号 参见图 3 2 在第 i 个点和对面对应点上施加力 Fi 测量其它点的径向位移 参见图 4 然后将其按照一定的格式写成刚度文件 图 3 计算活塞刚度的测点编号 图 4 活塞刚度矩阵构成及其意义示意图 3 2 计算过程3 2 计算过程 1 导入三维几何模型 如有非法的几何 则应修补几何模型 2 设定活塞材料参数 弹性模量 80000MPa 泊松比 0 27 3 划分网格 在测点附近划分出均匀的网格以便于施加力 并在通过主推力侧的 截面及与其垂直的截面上布置节点 即划成网格的对称面 单元类型可采用 C3D10 如图 5 4 建立并施加 柱坐标系 原点 气缸中心线与活塞销轴线交点 Z 轴 气缸中心线 R 轴 活塞销中心线 约束燃烧室凹坑 节点的 Z 轴向自由度 约束上述两网格对称面节点的 Z 轴旋转自由度 建立一系列分析步 逐个分析上述各个 测点上施加径向力后活塞的径向变形情况 参见图 6 5 测取各分析步的各测点的径向变形 参见图 7 6 将结果和施加力情况按模板格式写成刚度文件 图 5 网格划分示意 图 6 边界条件示意图 图 7 第 1 点和第 2 点施加径向力时活塞径向位移云图 4 气门刚度计算 4 1 简介 4 气门刚度计算 4 1 简介 气门机构刚度是气门机构动力学计算的输入数据 用于考察是否出现从动件飞脱和气门反跳现象 本文中 只叙述其中一个部件即气门的刚度的计算过程 在气门机构动力学计算过程中 常将气门考虑成气门杆和气门盘两个部分 两者的截断面常选在整个气门 杆部的一半长度处 因此 气门刚度计算也分成气门杆刚度和气门盘刚度计算两个部分 4 2 气门杆刚度计算4 2 气门杆刚度计算 气门杆刚度表示固定气门杆上端面 气门杆下端面产生单位位移所需要的拉力 计算过程是 1 导入气 门杆模型 设置材料参数 弹性模量 210GPa 泊松比 0 3 划分网格 2 约束气门杆上端面节点 在气门 杆 下端 面 施 加 均 布 面 压 100MPa 3 计 算 测取 杆 端 面 产 生 的 位 移 S 0 02765mm 4 计 算 刚 度 K P pi d d 4 S 228549 2N mm 图 8 气门杆刚度计算的模型和结果 4 3 气门盘刚度计算4 3 气门盘刚度计算 气门盘刚度表示固定气门盘下阀面 气门杆端部产生单位位移所需要的拉力 计算过程是 1 导入气门 盘模型 设置材料参数 弹性模量 210GPa 泊松比 0 3 划分网格 2 约束气门盘下阀面节点 在气门杆 端 施 加 均 布 面 压100MPa 3 计 算 测 取 杆 端 面 产 生 的 位 移S 0 023762mm 4 计 算 刚 度 K P pi d d 4 S 265945N mm 图 9 气门盘刚度计算的有限元模型和结果 5 结语5 结语 1 本文详细叙述了采用 ABAQUS 软件进行曲轴曲拐扭转刚度 活塞径向刚度和气门拉伸刚度计算的过程 希望可对同行业的有限元入门者提供一定的参考和帮助 2 在柴油机的研发和故障诊断中 刚度问题是一个重点关注点 采用 ABAQUS 可以准确地获得零部