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Abaqus在发动机主轴承座可靠性-动力学联合仿真中的应用

徐熹，吴念，卿辉斌，曾庆强，贾正锋

(重庆长安汽车股份有限公司动力研究院重庆市401120)

摘要:本文通过EHD分析，获取发动机主轴承座边界载荷并映射到有限元分析模型，采用Abaqus进行求解及结果后处理，校核主轴承座的可靠性。

关键词:主轴承座，有限元，动力学，可靠性，发动机

1.简介

发动机主轴承座承受了由曲柄连杆机构传递来的强大气体燃烧爆发压力，此外还包括螺栓预紧力、轴瓦过盈装

配载荷和温度载荷等，这对主轴承座的可靠性提出了很高的要求。

在某直列四缸发动机开发项目中，对主轴承座进行了可靠性-动力学联合仿真，将EHD(Elastohydrodynamic弹

性流体动力学)分析得到的主轴承受力结果映射到FEA(Finiteelementanalysis有限元分析)模型，采用Abaqus软件进

行求解及结果后处理，从结构应力、HCF(Highcyclefatigue高周疲劳)、主轴承接触面压力、主轴承接触面张开量、

主轴承接触面滑移量、轴瓦背压、轴瓦切向应力、螺栓轴力变化等方面，考察该主轴承座的可靠性。

2.分析模型

2.1EHD模型

本文中EHD模型如图1所示。

图1.EHD模型.

2.2有限元模型

本文中有限元模型如图2所示。除缸套、轴瓦、螺栓、定位销采用C3D8I单元外，其他零部件采用C3D10M单元。

图2.有限元模型.

3.材料

参数

本文中各零部件基本材料参数见表1。

表1.基本材料参数表.

分析中，为提高分析精度，各零部件均应考虑材料弹塑性，以及不同温度下材料力学性能。

4.有限

元分析

4.1EHD分析结果映

射

本文在发动机设计最高转速6000rpm工况下的EHD分析结果中，选取了18个曲轴转角下的力和力矩结果，映射到主轴承座有限元模型上。

图3.第一主轴承总压力云图.

图4.各主轴承力和力矩分析结果.

图5.EHD分析结果映射效果图.

4.2其他边界

除EHD分析得到的主轴承受力结果，还需要考虑螺栓预紧力、轴瓦装配过盈量以及温度载荷等。其中温度载

荷应考虑燃烧、冷却边界等进行CFD计算，映射到有限元模型中；如不具备CFD计算的条件，也可假定为适当的

均匀温度。温度载荷对于全铝发动机的可靠性分析尤其重要。

图6.其他边界示意图.

本次分析共包含三个计算主文件：

1)、最大螺栓预紧力+最大轴瓦装配参数+温度载荷+6000rpm下主轴承受力，用以评价结构应力、HCF、主轴承接触面压力和轴瓦切向应力；

2)、最小螺栓预紧力+最大轴瓦装配参数+温度载荷+6000rpm下主轴承受力，用以评价主轴承接触面张开量、主轴承接触面滑移量和螺栓轴力变化；

3)、最小螺栓预紧力+最小轴瓦装配参数+温度载荷+6000rpm下主轴承受力，用以评价轴瓦背压。

5.分析结果

5.1应力分析结果

在各工况下，曲轴箱、主轴承座和镶块的应力均不应超过材料的屈服强度。实际上由于约束和螺栓预紧力等因

素影响，其附近区域应力不真实，不予考虑。而对于远离上述区域的应力，根据圣维南原理，基本不受影响。图7

展示了某工况下曲轴箱、主轴承座和镶块的应力云图。

图7.应力结果.

5.2HCF分析结果

发动机正常工作中，各缸按一定顺序循环工作，产生的气体爆发压力也通过曲柄连杆机构循环地施加在主轴承座上。该循环在发动机设计寿命中次数较高(大于104次)，称为高周疲劳(HCF)，在主轴承座的设计中应对其高周疲劳进行相关分析。

HCF分析中往往会应用到Haigh图，表示对于任一给定寿命，应力幅Sa和平均应力Sm关系曲线的无量纲形式。

图8展示了疲劳分析软件FEMFAT自带材料库中AlSi9Cu3(曲轴箱、主轴承座)和球铁(镶块)的Haigh图。在有条件

的情况下，应选择发动机产品的材料，取样并进行相关疲劳参数的测试，用于HCF分析。

图8.Haigh图.

图9展示了曲轴箱、主轴承座和镶块的HCF安全系数。

图9.HCF结果.

5.3镶块-曲轴箱接触面分析结果

在发动机正常工作中，主轴承座应该与曲轴箱始终保持较好的接触，且接触压力不应过大，避免材料破坏。对

于本文中平底式曲轴箱，可通过考察镶块与曲轴箱接触面的接触压力(CPRESS)、张开量(COPEN)和滑移量(CSLIP)

来判断两者接触情况。对于龙门式曲轴箱，可考察轴承盖与曲轴箱的接触面。图10展示了镶块-曲轴箱接触面的各

分析结果。

图10.镶块-曲轴箱接触果.

面各分析结

5.4轴瓦背压分析结