柴油机曲轴有限元分析.pdf

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1、第28卷第6期江苏船舶VoI．28No．62011年12月JIANGSUSHIPDec．2011柴油机曲轴有限元分析胡飞孔(武汉市船舶检验所，湖北武汉430030)摘要：利用Pr0／E建立某中速柴油机曲轴的三维实体模型，在Hypermesh中进行网格划分，导入MSC．Patran对其进行应力分析，并对该曲轴进行疲劳强度校核。关键词：柴油机；曲轴；有限元中图分类号：TK42文献标识码：A曲轴：采用了4面体4节点(Tet4)单元划分，基0引言本单元尺寸为10mm，最小单元尺寸为2mm；共生曲轴作为柴油机中最主要的运动部件之一，其成33198645个单元，7547

2、1个节点。强度在很大程度上决定并影响着柴油机的可靠性和2边界条件的建立寿命。柴油机曲轴受力相当复杂，包括气缸内的燃气压力传递到曲柄销上的力、活塞的往复惯性力、曲2．1载荷边界条件轴输出端扭矩的作用以及曲轴本身旋转运动惯性图2为正置直列式曲柄一连杆机构的几何关系力。在这些周期性变化的载荷作用下，曲轴各个部示图。F为活塞惯性力与气缸内气体压力的合力，位将产生交变的弯曲应力和扭转应力。加上曲轴结F为连杆作用于连杆轴颈的力，F和F分别是F构复杂，其横截面在轴线方向上急剧变化，导致曲轴分解出的法向力和切向力；F为活塞侧推力，OB为应力分布极不均匀，尤其在曲臂与曲柄销、

3、曲臂与主曲柄，AB为连杆，A为连杆小端与活塞销结合点，B轴颈过渡圆角处产生严重的应力集中现象，有的在为连杆大端与曲柄销结合点，0为曲柄回转中心；Ol油孔附近也有应力集中产生。所以在曲轴设计中，为曲柄转角，顺时针为正；为连杆摆角，向右为正；保证曲轴足够的疲劳强度是首要问题。本研究采用(cJ为曲轴回转角速度；为活塞位移，向下为正j。Patran／Nastran有限元分析软件对某中速柴油机曲轴进行了应力分析。1模型建立1．1三维实体模型的建立利用Pro／E软件建立曲轴的三维实体模型。考虑到曲轴上面的某些细微尺寸对网格划分的影响，在建模中保留轴颈处的过渡圆角及曲柄销

4、上面的油孔，忽略曲柄臂上的螺栓孔、油孔及曲柄销上油孔的l倒角，其实体模型如图1所示。●I-t＼图1曲轴的三维实体模型1．2三维有限元模型的建立柴油机曲轴需要考虑的载荷主要有：连杆作用于连杆轴颈的气体力；连杆活塞组的往复惯性力收稿日期：2011—09—26；平衡重及曲轴绕曲轴中心线旋转的离心力。作者简介：胡飞孔(1977一)，男，工程师，从事轮机检验方面的工作连杆作用于连杆轴颈的力F主要由2部分组成：连与研究。江苏船舶第28卷杆活塞组惯性力的侧推力分力和气缸内气体压，=』L』T_~-q(x，0)dxdO—oR～(11)一￡力P的侧推力分力，即：2(4)载荷密度

5、分布函数为：F：一．rrPD一+(1)=(1一事)c0s()'-'=PRw(1+A)(2)根据上述公式，可依次得到各缸法向和切向的l载荷密度分布函数，分别建立各缸柱坐标，对法向和切向分别进行加载。南寺(3)／_一sinot2．2约束边界条件A约束自由端方向上曲轴端面的6个自由度，对连杆推力，传递至连杆轴颈，可分解为法向力曲轴主轴颈约束其径向X，Y方向的自由度[4]。F和切向力F。：Fccos(+)(4)3计算结果分析Fr：Fsin(+)(5)图4为曲轴变形云图，图5为曲轴应力云图。：arcsin(Asina)(6)，=mRw(7)连杆轴颈受到的总法向力F为：

6、，：FⅣ一Fp(8)式中：D为柴油气缸直径；P为柴油机缸内的气体压力；R为曲柄半径；A为连杆长度参数；Gp为连杆活塞组重量；g为重力加速度；m。为平衡重及曲柄臂的质量；为平衡重和曲轴的旋转离心力。通常情况下，直列6缸柴油机第3拐最危险]．由示功图可知，曲柄转角为12。，并可算出其他缸的连杆轴颈载荷受力值。曲轴的载荷按轴向呈2次抛物线分布，圆周方向按120。余弦分布]，其分布图如图3所示。图中，R为曲柄半径，g⋯为载荷在轴向分布时的最大值，q为载荷分布函数，O为曲柄销的中点，，J为1／2曲柄销长度，为曲柄销上一点距0点的距离，其变化范围为一￡到L，0为曲柄销上

7、一点与z轴的夹角，其变化范围为一b到b。mnZJ、q(x，O)／图5曲轴应力分布(单位：MPa)r／、，．7曲轴在曲柄臂与主轴颈、曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处容易产生应力集中。由于将第3缸发火(一．0一Y时作为计算时刻，所以，曲轴的最大应力值出现在3缸曲柄臂与主轴颈过渡圆角处，应力值为96MPa。一一一—f曲轴主轴颈许用疲劳强度值按照《钢质海船入(1)载荷在轴向2次抛物线分布：级建造规范》由式(13)计算：q=qmax(1一x)(9)O-，J=±K(0．42R+39．3)(0．264+73++(2)载荷在圆周120。范围内余弦分布：，、／忐))g(，q)=q

8、cos(—J_g)(10)式中：or。为曲轴主轴颈许