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發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，主軸承座承受劇烈的載荷，這些載荷包括：螺栓預(yù)緊載荷、軸瓦過(guò)盈載荷、曲軸動(dòng)載荷以及熱負(fù)荷等。主軸承座的評(píng)價(jià)內(nèi)容也較復(fù)雜，包括：各工況下的變形情況、各工況下的應(yīng)力情況、滑移表面的滑動(dòng)情況等。因此，在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)階段，需對(duì)主軸承座進(jìn)行多工況分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形等指標(biāo)。本文通過(guò)接觸對(duì)、TIE及MPC三種形式模擬零件之間的相互作用建立了主軸承有限元分析模型，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承座的CAE分析。
考慮缸體與框架之間的彈性接觸，采用三維小滑移彈性接觸模型模擬彈性接觸問(wèn)題可采用兩種模型分析曲軸動(dòng)壓工況：(1)建立曲軸系統(tǒng)和主軸承座的有限元子機(jī)構(gòu)模型，曲軸與軸瓦之間可以取流體動(dòng)力潤(rùn)滑或非線(xiàn)性彈簧模型，模擬系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，最后，取出主軸承座的最大應(yīng)力狀態(tài)。(2)直接施加最高燃燒壓力，通過(guò)靜力學(xué)求解得到軸承座的應(yīng)力分布，分析中不考慮潤(rùn)滑油膜的作用，最高燃燒壓力通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模擬或者經(jīng)驗(yàn)確定。本文采用第2種分析模型，曲軸與軸瓦之間取小滑移彈性接觸模型。
采用彈性接觸或MPC模擬螺栓與部件、軸瓦與部件之間的作用關(guān)系。可采用兩種方法分析熱負(fù)荷工況：(1)采用k-ε湍流模型計(jì)算冷卻水套與壁面、燃?xì)馀c進(jìn)排氣道壁面等的對(duì)流換熱邊界條件等，然后模擬整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。(2)簡(jiǎn)化分析過(guò)程，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)從室溫升至115°C的熱負(fù)荷情況，溫度場(chǎng)假設(shè)成均勻場(chǎng)。對(duì)于熱物性不同的零件，如缸體與框架采用了不同的材料，施加熱負(fù)荷后，在結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生較大的應(yīng)力，如果零件的熱物性相同，則沒(méi)有大應(yīng)力值產(chǎn)生。另外，由于溫度場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，且不考慮接觸面之間的接觸傳熱情況，因此不采用全耦合熱應(yīng)力分析模型。
發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行下列項(xiàng)目的數(shù)值分析：熱力學(xué)分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)；曲軸動(dòng)力學(xué)分析，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)曲軸系的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)以及軸承的潤(rùn)滑特性；主軸承座分析，預(yù)測(cè)主軸承座的強(qiáng)度、剛度以及主軸承的抗滑移能力；活塞連桿強(qiáng)度分析；冷卻系統(tǒng)分析；配氣機(jī)構(gòu)分析。其中，可以將曲軸系動(dòng)力學(xué)和主軸承座分析結(jié)合起來(lái)，建立曲軸瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型，采用子結(jié)構(gòu)法求解曲軸和主軸承座的瞬態(tài)應(yīng)力和變形，同時(shí)，考察系統(tǒng)的剛度等特性。但是，該模型不能體現(xiàn)主軸承座各個(gè)零件間的彈性接觸關(guān)系，實(shí)際分析時(shí)，往往將主軸承座作為獨(dú)立的系統(tǒng)，并采用靜載代替動(dòng)載。主軸承座有限元分析時(shí)，主要考核螺栓預(yù)緊工況、軸瓦過(guò)盈工況、動(dòng)載荷工況和熱負(fù)荷工況。
主要分析框架承受螺栓預(yù)緊力后，框架和剛體局部區(qū)域的變形和應(yīng)力情況。施加螺栓預(yù)緊載荷后，主軸承孔會(huì)產(chǎn)生較大的變形，但是，這種變形會(huì)在膛孔時(shí)消除，因此，強(qiáng)度成為該區(qū)域最主要的考核指標(biāo)。建模時(shí)，螺栓與框架和缸體之間通過(guò)MPC連接，框架與缸體之間采用小滑移彈性接觸模型，不考慮主軸承。圖為某發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承座承受螺栓預(yù)緊載荷時(shí)的應(yīng)力分布，圖為框架局部區(qū)域應(yīng)力分布。
圖中框架、缸體局部以及螺栓都出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū)域。由于螺栓模型中采用了MPC，并在螺栓的中截面上施加了很大的預(yù)緊載荷，因此，螺栓應(yīng)力、螺栓緊鄰的框架和缸體區(qū)域應(yīng)力為非真實(shí)應(yīng)力，不予考慮。根據(jù)圣維南原理，離螺栓較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)力不受模型的影響，為真實(shí)應(yīng)力。圖顯示，框架局部區(qū)域出現(xiàn)了高應(yīng)力集中(箭頭所指區(qū)域)，應(yīng)力值超出了材料的強(qiáng)度極限，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。
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