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1、载荷形式对机体局部疲劳寿命影响的仿真研究第32卷第4期2021年8月内燃机工程ChineseInternalCombustionEngineEngineering文章编号:lOOO-O925(2Ol1)04-0052-04载荷形式对机体局部疲劳寿命影响的仿真研究孙耀国.杜海明,俞小莉(1.浙江大学动力机械及车辆工程研究所,杭州310027;2.浙江新柴动力,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:以安装干式缸套的495柴油机机体为例,比照计算了两种试验栽荷加载方式下机体的疲劳寿命分布.结果说明:中隔板处的疲劳寿命分布相同,两种栽荷形式对机体中隔板疲劳寿命的影响没有显着的差异;分布载荷加载时,活塞位置对机体上半局部疲劳薄弱部位及其疲劳寿命产生影响.结合仿真结果,对实际试验中加裁方式的选择问题进行了讨论.关键词:内燃机;发动机机体;疲劳寿命;仿真;试验Keywords:ICengine;cylinderblock;fatigu
4、e1ife;simulation;experiment中豳分类号:TK427文献标识码:A0概述由于发动机轻量化设计要求的提高和缸内燃烧压力的不断增大,发动机主要受力零部件的疲劳可动机实际运行条件下,受力零部件承受的载荷复杂,在疲劳试验中需要进行简化处理.目前,机体疲劳试验的加载方式主要有两种,第一种是施加分布载荷1,即活塞位于上,下止点之间,在缸内充入液压油,作用在活塞上的面载荷经由活塞,连杆,曲轴作用到主轴承上,如图1a所示,在实际的机体疲劳试验中,通常是把活塞固定在上止点位置;第二种是在活塞上直接施加集中载荷,如图1b所示,在机体顶端安装液压活塞机构,液压力通过机构的活塞作用是气缸内壁没
5、有承受作用力,第二种加载方式的特点是可以利用两个大小截面不同的活塞实现对液压载荷的放大,与第一种分布载荷相比,它对机体实际承受的载荷更简化,可能影响机体疲劳寿命的分布.因此,需要根据试验重点考核的部位选取加载方式.中隔板是机体疲劳的重要考察部位.文献2针对高速大功率柴油机机体横隔板断裂失效问题,采用收稿日期:2021-01-25作者简介:孙国Il974一),男,博士生,主要研究方向为发动机零部件疲劳可靠性.E-mail:spschiyahoo.om ;俞小莉l联系人).E-mail:yuxlzia.eda .2021年第4期内燃机工程?53?看,另一个薄弱部位是机体上半局部,尤其是近缸盖部位.
6、前面(a)分布载荷(b)集中载荷图1机体疲劳试验加载方式示意图随着计算机技术和疲劳理论的开展,数值仿真方法在机体疲劳问题研究中的应用逐步展开,如文献E3J介绍的某型二冲程自由活塞发动机铝合金机机机体为例,通过仿真分析重点研究集中载荷与分布载荷加载对机体中隔板疲劳寿命的影响,包括疲劳寿命及其分布,为确定机体疲劳试验的加载方式和载荷大小提供理论依据.1机体疲劳寿命计算方法首先,根据计算对象的几何结构,材料特性和设定的载荷进行有限元分析,得到每个疲劳分析点的应力.然后根据每个疲劳加载循环内载荷的变化,用机体材料的SN曲线计算疲劳寿命,并采用古德曼直线方法(式1)修正平均应力的影响4.一1(1一/b)
7、(1)式中,为极限应力幅;一.为材料疲劳极限;为平均应力;为强度极限.2机体应力仿真计算及其验证为了提高计算精度和减少计算量,采用子模型方法进行计算.全局模型包括整个机体,缸盖及螺三,四缸各取半个缸并截去近缸盖局部作为子模型,较小的网格,整个中隔板尤其是几何突变的位置加密划分网格.对全局模型划分约38万四面体网格,网格划分如图2所示.全局模型中在机体的一端及另一端两侧有拧紧l一1图2机体全局模型网格划分固定螺栓的部位设置固定支撑边界条件,使其与进行机体疲劳试验时机体在试验台架上的固定情况相对应.用接触来定义其他零件与机体的约束关系,包括螺杆与机体的接触,缸盖和主轴承盖与机体的接触,螺帽与缸盖的
8、接触,螺帽与主轴承盖的接触,机体与缸套的接触.其中,螺栓与机体的接触还需输人螺栓的直径,螺纹形状等参数,用ABAQUS软件提供的螺栓连接算法进行计算.载荷包括缸盖螺栓预紧力,主轴承盖螺栓预紧力,第三缸10MPa的分布载荷,其中预紧力的大小按照安装时的规定设置.计算分两步,首先计算螺栓预紧力作用下的应力,然后计算螺栓预紧力及分布(或集中)载荷共同作用下的应力.子模型中在主轴承螺栓与机体,主轴承盖与机体,主轴承螺栓与主轴承盖,机体与缸套之间设置接触约束,机体子模型两侧及上端与整个机体相连接的部位设置子模型边界条件,缸套子模型边界设置与全局模型中相同.载荷步与全局模型相同.机体材料为灰铸铁HT250
9、,输入其力学性能,并采用二阶四面体单元计算.采用应变计测量了第三缸活塞位于上止点,缸内加载10MPa液压力情况下,机体第三,四缸之间凸轮轴孔一侧外表假设干点的应变,应变片位置如图3所示.表1为第三缸螺栓搭子部位(位置1)和凸轮轴孔内侧(位置2)及第四缸螺栓搭子部位(位置3)和凸轮轴孔内侧(位置4)测点的应力测量结果和计算值.从表1可看出,凸轮轴孔内侧应力的测量值与计算值相对偏差位由于结构复杂,使得应力变化较大,虽然相对差异较大,但绝对差异并不大.表1机体外表应力测量值与计算值位置测量值/MPa计算值/MPa相对偏差/内燃机工程2021年第4期(a)第三缸(b)第四缸图3应变测量位置3不同载荷形
10、式下机体疲劳寿命计算结果及其分析应用FE-FATIGUE软件,输入应力分析结果,载荷随时间的变化为脉动循环,其最小值为零,平均N曲线,忽略外表加工的影响,采用绝对值最大的主应力计算寿命,平均应力的修正采用古德曼法,采用s一曲线方法计算分布载荷作用下机体的疲劳寿命分布.其中,分布载荷作用选取了活塞位于上,下止点中间位置和下荷加载方式下机体的疲劳寿命分布,如图4所示.可看出,中隔板处疲劳薄弱部位主要集中在凸轮轴和图7为分布载荷作用下机体疲劳寿命计算结果.图4集中载荷下疲劳寿命分布从图4图7可看出,集中载荷加载疲劳试验与活塞位于上,下止点之间不同位置的分布载荷加载疲劳试验,在中隔板区域疲劳的薄弱部位
11、分布相同,都位于凸轮轴孔附近,且最薄弱部位都是在凸轮轴孔内侧.表2为凸轮轴孔附近3处(图3中位置1,flh图5凸轮轴孔附近疲劳寿命局部放大图6分布载荷括塞位于下止点疲劳寿命分布循环/个图7分布载荷活塞上,下止点中间疲劳寿命分布2,3)疲劳薄弱部位,在不同加载方式下疲劳寿命的计算结果.表2中b代表分布载荷下活塞位于上,表2可看出,不同加载方式在同一位置的疲劳寿命接与机体运行中承受的最高燃烧压力相当,说明机体在运行时承受载荷的作用下,疲劳寿命是无限寿命.表2不同加载方式下凸轮轴孔附近疲劳寿命循环数比照个位置集中载荷a分布载荷b分布载荷C109101o1011叶誊譬篓誊墨_个嚣曩l_/8642O孵一
12、._.一._.一.一.一.一.2021年第4期内燃机工程图8为a,b,C3种载荷形式下,位置1疲劳薄弱部位某节点一个加载循环内的应力(绝对值最大的主应力)随加载时间变化的曲线.从图8可看出,3条曲线十分接近,其应力最小值相同,应力最大值分别为76.5,78.4,80.9MPa,与集中载荷加载下的应力时间变化曲线的应力最大值相比,后两者相对偏差约为2.4%和5.7,考虑到计算的准确性及机体疲劳试验中载荷大小的波动,这样的差异可以忽略的,由于应力历程曲线几乎相同,疲劳寿命也就无显着差异.加载时间/循环图8位置1某节点最大主应力随加载时间的变化但是在机体上半局部,集中载荷与分布载荷加载时疲劳薄弱部位
13、的分布是不同的.如图6所示,分布载荷下活塞位于下止点时,下止点附近也是疲侧疲劳寿命变低.据此,如果中隔板的疲劳寿命比机体上半局部寿命低,或者仅考查中隔板的疲劳寿命,可选择集中载荷形式,也可选择分布载荷形式,分布载荷加载方式下活塞位置对中隔板的疲劳寿命影响很小,可以忽略.但是,考虑到机体上半局部在发动机运行中受到分布压力,温度等载荷的作用,分布载荷加载方式更接近实际,尤其是以机体上半局部为考查部位的疲劳试验应采用分布载荷加载方式.4结论(1)对于以机体中隔板为重点考察部位的疲劳试验,分布载荷和集中载荷两种加载方式对薄弱部此,可以认为两种加载方式是等效的.(2)以机体上半局部薄弱部位作为考查对象的
14、疲劳试验,应采用缸内分布加载方式,且需要考虑活位位置变化,也影响疲劳寿命.参考文献:1陈学罡,李慧远,田雨苗.发动机气缸体疲劳试验研究J.汽车工艺与材料,2006,29(3):6-9.ginecylinderblockJ.AutomobileTechnology8LMaterial,2006,29(3):6-9.2姚利民,张小杰,廖日东,柴油机机体横隔板断裂失效分析J.计算机仿真,2007,24(6):291295.haviorofdieselenginebulkheadJ.ComputerSimulation,2007,24(6):291-295.mentonthefatiguebehaviourofvibratingcylinderblockusingfrequencyresponseapproachJ.JournalofZhiangUniversityScienceA,2006.7(3):352360.4李舜酩.机械疲劳与可靠性设计M.北京:科学出版社,2006.(编辑:李贞)
载荷形式对机体局部疲劳寿命影响的仿真研究
