三维有限元计算分析在柴油机设计上的应用

摘 要：本文阐述了三维有限元分析技术在大功率柴油机零部件设计、生产过程中的应用，从理论上预先验证柴油机各部件的安全性和可靠性，对所设计的零部件进行强度、寿命分析，以减少样机在台架上的试验时间。

关键词：CAE；有限元；柴油机

中图分类号： U664.121 文献标识码： A

Abstract： This paper introduces the application of 3D-FEM in parts design and production for large-power diesel engine. It verifies the safety and reliability of parts in advanve， analyses the strength and life of parts and reduce the test time of the sample engine on the test-bed.

Key words： CAE； Finite element； Diesel engine

1 前言

近年来船舶柴油机正朝着大型化、高功率和轻量化等方向发展，柴油机的结构和性能都有了很大的改进，对零部件的可靠性提出了更加严格的要求。柴油机的排放指标不断提高，运动部件的工作条件越来越恶劣，变形量增大，可靠性下降，出现损伤和断裂的可能性增大，只凭以往的经验及传统设计理论去判定零部件的安全可靠性难以满足要求。

2 使用三维有限元计算分析的意义

计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）是计算机技术和工程分析技术相结合的新兴技术，其主要是实现结构分析和结构优化。CAE的方法有多种，包括边界元法、有限单元法等，但应用最广泛的是有限单元法，又称有限元分析。

有限元分析的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结果，随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大。

通过使用有限元分析方法来证实柴油机各部件的安全性和可靠性，对其未来的工作状态和运行状态进行模拟，及早发现设计中的缺陷，缩短样机的生产周期，降低产品的成本。在柴油机主要零部件设计中采用有限元分析技术，可解线性、非线性的静力、热力等问题，对所设计的零部件进行强度、寿命分析，为进一步改进设计提供理论依据。

采用有限元分析对产品设计、生产流程的影响，如图1所示。

3 典型零件的三维有限元计算分析

使用专业分析软件对一些零部件进行有限元分析，根据分析结果得出零部件是否安全的判断依据，并输出分析报告。

3.1 曲轴单拐

曲轴是柴油机中最重要、载荷最大、价格最昂贵的零件之一。在工作中，曲轴承受着气缸内燃气作用力、往复惯性力/力矩及离心惯性力/力矩引起的周期性变化的交变负荷。，因此，对曲轴应力分析和强度校核是非常重要的。以两种不同材料（钢、球铁）曲轴为对象，进行三维有限元计算（包括机械应力、应变、位移等）。

图2是某款曲轴的多种方案圆角部位剖面等效应力云图，从图中可以看出应力的不同升幅与过渡圆角的几何尺寸有很大的关系，做多个结构设计方案论证，进行结构强度、疲劳强度、力学、温度和变形的全面分析和运动仿真，大大提高了曲轴的质量。

3.2 活塞

活塞是柴油机燃烧室中重要的零件，在工作过程中直接与高温高压燃气接触，承受着较高的热负荷，并在缸套内进行每分钟几百次的往复运动，由热负荷和运转工况频繁变化引起的活塞热疲劳是影响柴油机可靠性的主要因素。

通过有限元分析方法对活塞进行热-结构耦合分析，得出活塞的温度和应力分布规律，对结构进行分析、评价，并进行活塞结构优化仿真分析。冷却油腔尺寸变小10 mm时，第一道活塞环温度分别增加约20 ℃；活塞顶部应力水平降低，与活塞销轴线方向成90°方向的活塞顶面上最大等效应力减小为20 MPa；活塞整体应力水平升高30 MPa。

活塞综合受力受热应力云图，如图3所示。

3.3 机体主轴承安装螺孔垂直度

当柴油机采用的是倒挂式主轴承时，主轴承部件承受曲轴传来周期性的气体力和惯性力作用，因此对主轴承螺栓要求比较高。若机体主轴承安装螺孔垂直度加工出现超差，则螺栓产生附加应力，降低了疲劳强度。

采用有限元分析计算柴油机主轴承螺栓在承受预紧力、工作载荷以及偏斜螺栓纠正位置的共同作用下的应力分布情况，对比了不同偏斜情况下螺栓应力的变化规律以及疲劳强度。

螺栓的危险点位于螺栓与机体装配的第一圈螺纹靠近螺栓偏斜方向一侧，导致疲劳破坏的主要原因是螺栓危险点的应力水平很高，导致其在脉动载荷作用下的平均应力过高，在此较高的平均应力上作用较小的应力幅（20～25 MPa），也容易导致疲劳破坏。

主轴承螺栓受力应力云图，如图4所示。

4 结论

应用三维有限元计算技术，在满足柴油机结构和性能指标的前提下，对柴油机零部件进行静态、动态、安全性和可靠性分析，及时地进行相应的结构改进设计或解决生产过程中出现的技术问题，可以大大减少样机的制造和试验时间。三维有限元计算技术在柴油机行业的推广应用，必将大大地推动企业的技术进步，提高产品的设计质量，产生巨大的经济效益与社会效益。

参考文献

[1]陈大荣.船舶柴油机设计[MJ.国防工业出版社，1980.

[2]丁皓江.弹性和塑性力学有限元法[MJ.机械工业出版社，1989.

[3]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[MJ.清华大学出

版社，1997.

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