載荷形式對機體局部疲勞壽命影響的仿真研究

1、載荷形式對機體局部疲勞壽命影響的仿真研究第32卷第4期2021年8月內(nèi)燃機工程ChineseInternalCombustionEngineEngineering文章編號:lOOO-O925(2Ol1)04-0052-04載荷形式對機體局部疲勞壽命影響的仿真研究孫耀國.杜海明,俞小莉(1.浙江大學動力機械及車輛工程研究所,杭州310027;2.浙江新柴動力,新昌312500)SimulationResearchonLoad-ApplyingForminCylinderBlockFatigueExperimentSUNYao-guo,DUHaiming2,YUXiao-li(1.PowerMac

2、hineryandVehiclularEngineeringInstitute,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.ZhejiangXinChaiCo.,Ltd.,Xinchang312500,China)320063Abstract:IncylinderblockofModel495dieselenginewithdrycylinderlinerforinstance,itsfatiguedistributionsinbulkheadarehardlyaffectedbydifferentloadingforms,butforthedistri

3、butedloadapplyingviewofsimulatedresults,thechoiceofloadapplyingformwasdiscussed.摘要:以安裝干式缸套的495柴油機機體為例,比照計算了兩種試驗栽荷加載方式下機體的疲勞壽命分布.結果說明:中隔板處的疲勞壽命分布相同,兩種栽荷形式對機體中隔板疲勞壽命的影響沒有顯著的差異;分布載荷加載時,活塞位置對機體上半局部疲勞薄弱部位及其疲勞壽命產(chǎn)生影響.結合仿真結果,對實際試驗中加裁方式的選擇問題進行了討論.關鍵詞:內(nèi)燃機;發(fā)動機機體;疲勞壽命;仿真;試驗Keywords:ICengine;cylinderblock;fatigu

4、e1ife;simulation;experiment中豳分類號:TK427文獻標識碼:A0概述由于發(fā)動機輕量化設計要求的提高和缸內(nèi)燃燒壓力的不斷增大,發(fā)動機主要受力零部件的疲勞可動機實際運行條件下,受力零部件承受的載荷復雜,在疲勞試驗中需要進行簡化處理.目前,機體疲勞試驗的加載方式主要有兩種,第一種是施加分布載荷1,即活塞位于上,下止點之間,在缸內(nèi)充入液壓油,作用在活塞上的面載荷經(jīng)由活塞,連桿,曲軸作用到主軸承上,如圖1a所示,在實際的機體疲勞試驗中,通常是把活塞固定在上止點位置;第二種是在活塞上直接施加集中載荷,如圖1b所示,在機體頂端安裝液壓活塞機構,液壓力通過機構的活塞作用是氣缸內(nèi)壁沒

5、有承受作用力,第二種加載方式的特點是可以利用兩個大小截面不同的活塞實現(xiàn)對液壓載荷的放大,與第一種分布載荷相比,它對機體實際承受的載荷更簡化,可能影響機體疲勞壽命的分布.因此,需要根據(jù)試驗重點考核的部位選取加載方式.中隔板是機體疲勞的重要考察部位.文獻2針對高速大功率柴油機機體橫隔板斷裂失效問題,采用收稿日期:2021-01-25作者簡介:孫國Il974一),男,博士生,主要研究方向為發(fā)動機零部件疲勞可靠性.E-mail:spschiyahoo.om ;俞小莉l聯(lián)系人).E-mail:yuxlzia.eda .2021年第4期內(nèi)燃機工程?53?看,另一個薄弱部位是機體上半局部,尤其是近缸蓋部位.

6、前面(a)分布載荷(b)集中載荷圖1機體疲勞試驗加載方式示意圖隨著計算機技術和疲勞理論的開展,數(shù)值仿真方法在機體疲勞問題研究中的應用逐步展開,如文獻E3J介紹的某型二沖程自由活塞發(fā)動機鋁合金機機機體為例,通過仿真分析重點研究集中載荷與分布載荷加載對機體中隔板疲勞壽命的影響,包括疲勞壽命及其分布,為確定機體疲勞試驗的加載方式和載荷大小提供理論依據(jù).1機體疲勞壽命計算方法首先,根據(jù)計算對象的幾何結構,材料特性和設定的載荷進行有限元分析,得到每個疲勞分析點的應力.然后根據(jù)每個疲勞加載循環(huán)內(nèi)載荷的變化,用機體材料的SN曲線計算疲勞壽命,并采用古德曼直線方法(式1)修正平均應力的影響4.一1(1一/b)

7、(1)式中,為極限應力幅;一.為材料疲勞極限;為平均應力;為強度極限.2機體應力仿真計算及其驗證為了提高計算精度和減少計算量,采用子模型方法進行計算.全局模型包括整個機體,缸蓋及螺三,四缸各取半個缸并截去近缸蓋局部作為子模型,較小的網(wǎng)格,整個中隔板尤其是幾何突變的位置加密劃分網(wǎng)格.對全局模型劃分約38萬四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分如圖2所示.全局模型中在機體的一端及另一端兩側有擰緊l一1圖2機體全局模型網(wǎng)格劃分固定螺栓的部位設置固定支撐邊界條件,使其與進行機體疲勞試驗時機體在試驗臺架上的固定情況相對應.用接觸來定義其他零件與機體的約束關系,包括螺桿與機體的接觸,缸蓋和主軸承蓋與機體的接觸,螺帽與缸蓋的

8、接觸,螺帽與主軸承蓋的接觸,機體與缸套的接觸.其中,螺栓與機體的接觸還需輸人螺栓的直徑,螺紋形狀等參數(shù),用ABAQUS軟件提供的螺栓連接算法進行計算.載荷包括缸蓋螺栓預緊力,主軸承蓋螺栓預緊力,第三缸10MPa的分布載荷,其中預緊力的大小按照安裝時的規(guī)定設置.計算分兩步,首先計算螺栓預緊力作用下的應力,然后計算螺栓預緊力及分布(或集中)載荷共同作用下的應力.子模型中在主軸承螺栓與機體,主軸承蓋與機體,主軸承螺栓與主軸承蓋,機體與缸套之間設置接觸約束,機體子模型兩側及上端與整個機體相連接的部位設置子模型邊界條件,缸套子模型邊界設置與全局模型中相同.載荷步與全局模型相同.機體材料為灰鑄鐵HT250

9、,輸入其力學性能,并采用二階四面體單元計算.采用應變計測量了第三缸活塞位于上止點,缸內(nèi)加載10MPa液壓力情況下,機體第三,四缸之間凸輪軸孔一側外表假設干點的應變,應變片位置如圖3所示.表1為第三缸螺栓搭子部位(位置1)和凸輪軸孔內(nèi)側(位置2)及第四缸螺栓搭子部位(位置3)和凸輪軸孔內(nèi)側(位置4)測點的應力測量結果和計算值.從表1可看出,凸輪軸孔內(nèi)側應力的測量值與計算值相對偏差位由于結構復雜,使得應力變化較大,雖然相對差異較大,但絕對差異并不大.表1機體外表應力測量值與計算值位置測量值/MPa計算值/MPa相對偏差/內(nèi)燃機工程2021年第4期(a)第三缸(b)第四缸圖3應變測量位置3不同載荷形

10、式下機體疲勞壽命計算結果及其分析應用FE-FATIGUE軟件,輸入應力分析結果,載荷隨時間的變化為脈動循環(huán),其最小值為零,平均N曲線,忽略外表加工的影響,采用絕對值最大的主應力計算壽命,平均應力的修正采用古德曼法,采用s一曲線方法計算分布載荷作用下機體的疲勞壽命分布.其中,分布載荷作用選取了活塞位于上,下止點中間位置和下荷加載方式下機體的疲勞壽命分布,如圖4所示.可看出,中隔板處疲勞薄弱部位主要集中在凸輪軸和圖7為分布載荷作用下機體疲勞壽命計算結果.圖4集中載荷下疲勞壽命分布從圖4圖7可看出,集中載荷加載疲勞試驗與活塞位于上,下止點之間不同位置的分布載荷加載疲勞試驗,在中隔板區(qū)域疲勞的薄弱部位

11、分布相同,都位于凸輪軸孔附近,且最薄弱部位都是在凸輪軸孔內(nèi)側.表2為凸輪軸孔附近3處(圖3中位置1,flh圖5凸輪軸孔附近疲勞壽命局部放大圖6分布載荷括塞位于下止點疲勞壽命分布循環(huán)/個圖7分布載荷活塞上,下止點中間疲勞壽命分布2,3)疲勞薄弱部位,在不同加載方式下疲勞壽命的計算結果.表2中b代表分布載荷下活塞位于上,表2可看出,不同加載方式在同一位置的疲勞壽命接與機體運行中承受的最高燃燒壓力相當,說明機體在運行時承受載荷的作用下,疲勞壽命是無限壽命.表2不同加載方式下凸輪軸孔附近疲勞壽命循環(huán)數(shù)比照個位置集中載荷a分布載荷b分布載荷C109101o1011葉謄譬簍謄墨_個囂曩l_/8642O孵一

12、._.一._.一.一.一.一.2021年第4期內(nèi)燃機工程圖8為a,b,C3種載荷形式下,位置1疲勞薄弱部位某節(jié)點一個加載循環(huán)內(nèi)的應力(絕對值最大的主應力)隨加載時間變化的曲線.從圖8可看出,3條曲線十分接近,其應力最小值相同,應力最大值分別為76.5,78.4,80.9MPa,與集中載荷加載下的應力時間變化曲線的應力最大值相比,后兩者相對偏差約為2.4%和5.7,考慮到計算的準確性及機體疲勞試驗中載荷大小的波動,這樣的差異可以忽略的,由于應力歷程曲線幾乎相同,疲勞壽命也就無顯著差異.加載時間/循環(huán)圖8位置1某節(jié)點最大主應力隨加載時間的變化但是在機體上半局部,集中載荷與分布載荷加載時疲勞薄弱部位

13、的分布是不同的.如圖6所示,分布載荷下活塞位于下止點時,下止點附近也是疲側疲勞壽命變低.據(jù)此,如果中隔板的疲勞壽命比機體上半局部壽命低,或者僅考查中隔板的疲勞壽命,可選擇集中載荷形式,也可選擇分布載荷形式,分布載荷加載方式下活塞位置對中隔板的疲勞壽命影響很小,可以忽略.但是,考慮到機體上半局部在發(fā)動機運行中受到分布壓力,溫度等載荷的作用,分布載荷加載方式更接近實際,尤其是以機體上半局部為考查部位的疲勞試驗應采用分布載荷加載方式.4結論(1)對于以機體中隔板為重點考察部位的疲勞試驗,分布載荷和集中載荷兩種加載方式對薄弱部此,可以認為兩種加載方式是等效的.(2)以機體上半局部薄弱部位作為考查對象的疲勞試驗,應采用缸內(nèi)分布加載方式,且需要考慮活位位置變化,也影響疲勞壽命.參考文獻:1陳學罡,李慧遠,田雨苗.發(fā)動機氣缸體疲勞試驗研究J.汽車工藝與材料,2006,29(3):6-9.ginecylinderblockJ.AutomobileTechnology8LMaterial,2006,29(3):6-9.2姚利民,張小杰,廖日東,柴油機機體橫隔板斷裂失效分析J.計算機仿真,2007,24(6):291295.haviorofdieselengineb