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有限元分析

缸體是發(fā)動機的骨架，是發(fā)動機各機構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動機的眾多主要零件和附件，承受著各種載荷。因此，機體必須要有足夠的強度和剛度。主軸承壁部分主要支撐曲柄連桿機構(gòu)運動載荷，因此準(zhǔn)確地對主軸承壁進行疲勞有限元分析壽命校核很有必要，然而其結(jié)構(gòu)及其受力情況比較復(fù)雜，很難使用一般的方法來計算。隨著有限元法的不斷成熟和完善，對發(fā)動機進行有限元分析的方法在發(fā)動機開發(fā)過程中起到越來越重要的作用。筆者針對新開發(fā)的某款四缸增壓直噴發(fā)動機，首先利用有限元法，使用AVL-EXCITE軟件對其進行多體動力學(xué)模擬，并對主軸承潤滑進行分析;然后將主軸承的油膜壓力映射到主軸承座的軸瓦表面，再利用Abaqus和FEMFAT軟件對其進行強度及疲勞分析，從而確保主軸承壁設(shè)計的可靠性。主要從以下三個方面來評價主軸承壁和主軸承蓋的可靠性：1)應(yīng)力；2)高周疲勞(HCF)；3)主軸承壁和主軸承座接觸滑移。
普通四缸發(fā)動機因為第2和第4軸承壁結(jié)構(gòu)和載荷基本一樣，并且第2，4主軸承壁的載荷最大，所以為了簡化模型，通常去除第3，4主軸承壁，留下第1，2和第5主軸承壁。同時為了考慮缸蓋螺栓對缸體主軸承壁的影響，將缸蓋簡化成一薄板后得到虛擬缸蓋模型。簡化后的模型如圖所示。為了得到主軸承的油膜壓力分布載荷，考慮到氣缸體與曲軸系彈性藕合的影響，建立了氣缸體組件的彈性體動力學(xué)模型(包括缸體和主軸承蓋)，并利用有限元子結(jié)構(gòu)方法對氣缸體組件模型進行模態(tài)縮減，最終形成柔性體動力學(xué)仿真模型。利用AVLEXCITE軟件建立如圖所示的曲軸系多體動力學(xué)模型，得到的軸瓦EHD載荷結(jié)果如圖所示。
缸體通風(fēng)孔處的高周疲勞強度，從圖中可以看出，該處高周疲勞安全系數(shù)較低，需對此處機構(gòu)進行局部優(yōu)化。圖為主軸座和缸體的接觸情況，從結(jié)果來看，發(fā)生了局部的大滑移，這對主軸承座的可靠性和耐久性極其不利，需通過增加螺栓預(yù)緊力等措施來解決。針對分析的結(jié)果，提出了以下幾條設(shè)計改進意見：1)主軸承壁上各缸之間通風(fēng)孔局部修改。2)原螺栓同軸襯套形式的定位方式改為兩邊定位銷定位。3)增大主軸承座螺栓預(yù)緊力，將原M9*1.25的12.9級螺栓改為M10*1.5的11.9級螺栓。4)主軸承壁的螺栓沉孔增大一定深度，滿足螺紋旋合長度的同時使螺栓預(yù)緊力遠(yuǎn)離主軸承壁和主軸承座的接合面，使其分布更均勻。5)增加主軸座的高度，并局部增加材料，以滿足螺栓預(yù)緊力增加而產(chǎn)生的更大應(yīng)力。6)兩螺栓間距增加2mm。
通過多種CAE手段利用成熟的評價方法對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的主軸承壁進行了強度分析，并且針對原有主軸承壁的結(jié)構(gòu)分布情況提出了幾處設(shè)計改進意見。改進后的主軸承壁有如下優(yōu)點：1)應(yīng)力幅值有所降低，尤其是在各缸的通風(fēng)孔處，應(yīng)力幅值得到了有效的降低；整個主軸承壁的高周疲勞(HCF)安全系數(shù)也由此提高了約17%，滿足強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。2)主軸承壁和主軸承座的接觸滑移得到了改善，較大地降低了兩者間的滑移量，避免了兩者間的相對磨損，提高了軸承座的可靠性和耐久性。整個過程采用仿真技術(shù)手段，降低了設(shè)計風(fēng)險；對結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化意見，成功地解決了發(fā)動機設(shè)計過程的問題，對后續(xù)的試驗開發(fā)有著很好的指導(dǎo)意義。

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直噴汽油機主軸承有限元分析及優(yōu)化改進