柴油机部分零部件刚度计算-潍柴.pdf

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 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 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 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 θ，M/ θ 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 θ （曲轴轴向旋转自由度的值）。（6 ）利用公式 S=M/ θ 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 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 F ，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。 i 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 （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