載荷形式對(duì)機(jī)體局部疲勞壽命影響的仿真研究

1、載荷形式對(duì)機(jī)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(jī)工程ChineseInternalCombustionEngineEngineering文章編號(hào):lOOO-O925(2Ol1)04-0052-04載荷形式對(duì)機(jī)體局部疲勞壽命影響的仿真研究孫耀國(guó).杜海明,俞小莉(1.浙江大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,杭州310027;2.浙江新柴動(dòng)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(jī)機(jī)體為例,比照計(jì)算了兩種試驗(yàn)栽荷加載方式下機(jī)體的疲勞壽命分布.結(jié)果說(shuō)明:中隔板處的疲勞壽命分布相同,兩種栽荷形式對(duì)機(jī)體中隔板疲勞壽命的影響沒(méi)有顯著的差異;分布載荷加載時(shí),活塞位置對(duì)機(jī)體上半局部疲勞薄弱部位及其疲勞壽命產(chǎn)生影響.結(jié)合仿真結(jié)果,對(duì)實(shí)際試驗(yàn)中加裁方式的選擇問(wèn)題進(jìn)行了討論.關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體;疲勞壽命;仿真;試驗(yàn)Keywords:ICengine;cylinderblock;fatigu

4、e1ife;simulation;experiment中豳分類號(hào):TK427文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0概述由于發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)要求的提高和缸內(nèi)燃燒壓力的不斷增大,發(fā)動(dòng)機(jī)主要受力零部件的疲勞可動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行條件下,受力零部件承受的載荷復(fù)雜,在疲勞試驗(yàn)中需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理.目前,機(jī)體疲勞試驗(yàn)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(diǎn)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(shí)際的機(jī)體疲勞試驗(yàn)中,通常是把活塞固定在上止點(diǎn)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(jī)體頂端安裝液壓活塞機(jī)構(gòu),液壓力通過(guò)機(jī)構(gòu)的活塞作用是氣缸內(nèi)壁沒(méi)

5、有承受作用力,第二種加載方式的特點(diǎn)是可以利用兩個(gè)大小截面不同的活塞實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓載荷的放大,與第一種分布載荷相比,它對(duì)機(jī)體實(shí)際承受的載荷更簡(jiǎn)化,可能影響機(jī)體疲勞壽命的分布.因此,需要根據(jù)試驗(yàn)重點(diǎn)考核的部位選取加載方式.中隔板是機(jī)體疲勞的重要考察部位.文獻(xiàn)2針對(duì)高速大功率柴油機(jī)機(jī)體橫隔板斷裂失效問(wèn)題,采用收稿日期:2021-01-25作者簡(jiǎn)介:孫國(guó)Il974一),男,博士生,主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)工程?53?看,另一個(gè)薄弱部位是機(jī)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(jī)體疲勞試驗(yàn)加載方式示意圖隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和疲勞理論的開(kāi)展,數(shù)值仿真方法在機(jī)體疲勞問(wèn)題研究中的應(yīng)用逐步展開(kāi),如文獻(xiàn)E3J介紹的某型二沖程自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金機(jī)機(jī)機(jī)體為例,通過(guò)仿真分析重點(diǎn)研究集中載荷與分布載荷加載對(duì)機(jī)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(jī)體疲勞試驗(yàn)的加載方式和載荷大小提供理論依據(jù).1機(jī)體疲勞壽命計(jì)算方法首先,根據(jù)計(jì)算對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu),材料特性和設(shè)定的載荷進(jìn)行有限元分析,得到每個(gè)疲勞分析點(diǎn)的應(yīng)力.然后根據(jù)每個(gè)疲勞加載循環(huán)內(nèi)載荷的變化,用機(jī)體材料的SN曲線計(jì)算疲勞壽命,并采用古德曼直線方法(式1)修正平均應(yīng)力的影響4.一1(1一/b)

7、(1)式中,為極限應(yīng)力幅;一.為材料疲勞極限;為平均應(yīng)力;為強(qiáng)度極限.2機(jī)體應(yīng)力仿真計(jì)算及其驗(yàn)證為了提高計(jì)算精度和減少計(jì)算量,采用子模型方法進(jìn)行計(jì)算.全局模型包括整個(gè)機(jī)體,缸蓋及螺三,四缸各取半個(gè)缸并截去近缸蓋局部作為子模型,較小的網(wǎng)格,整個(gè)中隔板尤其是幾何突變的位置加密劃分網(wǎng)格.對(duì)全局模型劃分約38萬(wàn)四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分如圖2所示.全局模型中在機(jī)體的一端及另一端兩側(cè)有擰緊l一1圖2機(jī)體全局模型網(wǎng)格劃分固定螺栓的部位設(shè)置固定支撐邊界條件,使其與進(jìn)行機(jī)體疲勞試驗(yàn)時(shí)機(jī)體在試驗(yàn)臺(tái)架上的固定情況相對(duì)應(yīng).用接觸來(lái)定義其他零件與機(jī)體的約束關(guān)系,包括螺桿與機(jī)體的接觸,缸蓋和主軸承蓋與機(jī)體的接觸,螺帽與缸蓋的

8、接觸,螺帽與主軸承蓋的接觸,機(jī)體與缸套的接觸.其中,螺栓與機(jī)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(jìn)行計(jì)算.載荷包括缸蓋螺栓預(yù)緊力,主軸承蓋螺栓預(yù)緊力,第三缸10MPa的分布載荷,其中預(yù)緊力的大小按照安裝時(shí)的規(guī)定設(shè)置.計(jì)算分兩步,首先計(jì)算螺栓預(yù)緊力作用下的應(yīng)力,然后計(jì)算螺栓預(yù)緊力及分布(或集中)載荷共同作用下的應(yīng)力.子模型中在主軸承螺栓與機(jī)體,主軸承蓋與機(jī)體,主軸承螺栓與主軸承蓋,機(jī)體與缸套之間設(shè)置接觸約束,機(jī)體子模型兩側(cè)及上端與整個(gè)機(jī)體相連接的部位設(shè)置子模型邊界條件,缸套子模型邊界設(shè)置與全局模型中相同.載荷步與全局模型相同.機(jī)體材料為灰鑄鐵HT250

9、,輸入其力學(xué)性能,并采用二階四面體單元計(jì)算.采用應(yīng)變計(jì)測(cè)量了第三缸活塞位于上止點(diǎn),缸內(nèi)加載10MPa液壓力情況下,機(jī)體第三,四缸之間凸輪軸孔一側(cè)外表假設(shè)干點(diǎn)的應(yīng)變,應(yīng)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(cè)(位置2)及第四缸螺栓搭子部位(位置3)和凸輪軸孔內(nèi)側(cè)(位置4)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果和計(jì)算值.從表1可看出,凸輪軸孔內(nèi)側(cè)應(yīng)力的測(cè)量值與計(jì)算值相對(duì)偏差位由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得應(yīng)力變化較大,雖然相對(duì)差異較大,但絕對(duì)差異并不大.表1機(jī)體外表應(yīng)力測(cè)量值與計(jì)算值位置測(cè)量值/MPa計(jì)算值/MPa相對(duì)偏差/內(nèi)燃機(jī)工程2021年第4期(a)第三缸(b)第四缸圖3應(yīng)變測(cè)量位置3不同載荷形

10、式下機(jī)體疲勞壽命計(jì)算結(jié)果及其分析應(yīng)用FE-FATIGUE軟件,輸入應(yīng)力分析結(jié)果,載荷隨時(shí)間的變化為脈動(dòng)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(duì)值最大的主應(yīng)力計(jì)算壽命,平均應(yīng)力的修正采用古德曼法,采用s一曲線方法計(jì)算分布載荷作用下機(jī)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(diǎn)中間位置和下荷加載方式下機(jī)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(jī)體疲勞壽命計(jì)算結(jié)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(yàn)與活塞位于上,下止點(diǎn)之間不同位置的分布載荷加載疲勞試驗(yàn),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(cè).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(diǎn)疲勞壽命分布循環(huán)/個(gè)圖7分布載荷活塞上,下止點(diǎn)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(jì)算結(jié)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(jī)體運(yùn)行中承受的最高燃燒壓力相當(dāng),說(shuō)明機(jī)體在運(yùn)行時(shí)承受載荷的作用下,疲勞壽命是無(wú)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(gè)位置集中載荷a分布載荷b分布載荷C109101o1011葉謄譬簍謄墨_個(gè)囂曩l_/8642O孵一

12、._.一._.一.一.一.一.2021年第4期內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)一個(gè)加載循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力(絕對(duì)值最大的主應(yīng)力)隨加載時(shí)間變化的曲線.從圖8可看出,3條曲線十分接近,其應(yīng)力最小值相同,應(yīng)力最大值分別為76.5,78.4,80.9MPa,與集中載荷加載下的應(yīng)力時(shí)間變化曲線的應(yīng)力最大值相比,后兩者相對(duì)偏差約為2.4%和5.7,考慮到計(jì)算的準(zhǔn)確性及機(jī)體疲勞試驗(yàn)中載荷大小的波動(dòng),這樣的差異可以忽略的,由于應(yīng)力歷程曲線幾乎相同,疲勞壽命也就無(wú)顯著差異.加載時(shí)間/循環(huán)圖8位置1某節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力隨加載時(shí)間的變化但是在機(jī)體上半局部,集中載荷與分布載荷加載時(shí)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(diǎn)時(shí),下止點(diǎn)附近也是疲側(cè)疲勞壽命變低.據(jù)此,如果中隔板的疲勞壽命比機(jī)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(duì)中隔板的疲勞壽命影響很小,可以忽略.但是,考慮到機(jī)體上半局部在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中受到分布?jí)毫?溫度等載荷的作用,分布載荷加載方式更接近實(shí)際,尤其是以機(jī)體上半局部為考查部位的疲勞試驗(yàn)應(yīng)采用分布載荷加載方式.4結(jié)論(1)對(duì)于以機(jī)體中隔板為重點(diǎn)考察部位的疲勞試驗(yàn),分布載荷和集中載荷兩種加載方式對(duì)薄弱部此,可以認(rèn)為兩種加載方式是等效的.(2)以機(jī)體上半局部薄弱部位作為考查對(duì)象的疲勞試驗(yàn),應(yīng)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(xiàn):1陳學(xué)罡,李慧遠(yuǎn),田雨苗.發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)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(jī)機(jī)體橫隔板斷裂失效分析J.計(jì)算機(jī)仿真,2007,24(6):291295.haviorofdieselengineb