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技术资料

    先采用有限元软件Abaqus对某气缸体与曲轴箱进行强度分析, 得到气缸体与曲轴箱一些关键位置的应力分布, 结合疲劳理论计算出这些位置的安全系数, 并针对曲轴箱修改材料后提出了结构改进。
    关键词: Abaqus静力强度分析 疲劳强度 气缸体 曲轴箱

    1 某气缸体的计算模型与边界条件处理

    某柴油机的爆发压力达到16.5MPa,气缸体与曲轴箱上承受着螺栓预紧力与爆发压力的作用,为了了解气缸体与曲轴箱在这两种状态下的应力分布,在这里计算了两种状态——螺栓预紧力与最大爆发压力作用状态。

    某气缸体、缸盖与缸盖螺栓的材料参数见下表1

     

    HT280的疲劳强度按120MPa,QT-600的疲劳强度按220MPa(以最小疲劳强度计算)。

    机体边界情况,计算时需要确定出缸盖与缸盖螺栓、缸盖与缸垫以及机体之间的受力关系,以便准确地模拟出机体与曲轴箱的实际工作情况。对整个有限元模型,根据实际工作情况,在机体和曲轴箱端面的节点上施加对称约束边界,在离模型考察较远的位置设置固定约束,以限制整个计算模型刚体位移。

    螺栓预紧力与爆发压力,通过螺栓预紧力加载方法模拟出主轴承螺栓、缸盖螺栓与副螺栓的作用力,螺栓的预紧力大小可以根据螺栓的强度等级规格大小计算出来。主轴承螺栓型号为M18的10.9级普通螺纹螺栓,最小直径为Φ14.5,每个螺栓预紧力为:155194N,该螺栓的最小直径小于螺纹的直径,所以按最小直径计算;缸盖螺栓型号为M14的10.9级普通螺纹螺栓,每个螺栓预紧力为:108100 N;副螺栓型号为M12的10.9级普通螺纹螺栓,每个螺栓预紧力为:82814 N,10.9级普通螺纹螺栓的屈服极限非比例伸长应力σ 0. 2为940MPa。D12柴油机的爆发压力为16.5MPa,以压力形式施加在模型上。计算模型见图1所示。
     
    图1 气缸体总成计算模型

    2 计算结果

    计算结果见图2-6。


     
    图3 气缸体爆发载荷作用下第1 主应力分布云图


    图4 气缸体爆发载荷作用下第1 主应力分布云图


    图5 曲轴箱爆发载荷作用下的第一主应力分布云图


    图6 曲轴箱爆发载荷作用下的第一主应力分布云图

    3 安全系数计算

    安全系数计算公式为:


    其中 kσ 为有效应力集中系数包含在应力幅σa 中,ε 为尺寸系数,机体上特征尺寸在5~15mm,根据机械工程手册尺寸系数取0.82,因为缺口和表面情况对灰铸铁的疲劳强度不敏感,表面系数β取为0.8,不对称循环度系数φσ=σb /σ-1= 0.4。

    以机体位置5为例进行说明,该处装配应力为58.1MPa,爆发应力为106.6MPa,则平均应力为:σm=(58.1+106.6)/2=82.35MPa;应力幅为:σa=(106.6-58.1)/2=24.25MPa,安全系数为:


     
    图7 曲轴箱修改方案

     

    4 结束语

    从机体总成的计算结果来看,机体上装配应力与工作应力都比较小,安全系数较大,最小为1.72,大于1.5的要求。曲轴箱装配应力与工作应力相对较大,安全系数最小为2.25,疲劳强度安全系数较大,如果把曲轴箱的材料改为HT280,材料的疲劳强度将降低45%,修改曲轴箱材料后,曲轴箱上最小安全系数为1.23,安全系数稍微偏低。

    曲轴箱修改后,曲轴箱上加强筋处的安全系数可以提高到2.27 以上,能够达到对于1.5 的要求,曲轴箱上安全系数最低的位置在主轴承圆角处,最大能达到1.99,方案4 为最好。曲轴箱修改后,曲轴箱上应力分布更均匀,
    使材料的强度得到充分利用。

    Abaqus 软件在零件结构设计与改进中发挥了重要作用,指明了设计与改进方向。

    [来源:www.sygasspring.com] [作者:www.sygasspring.com] [日期:12-07-05] [热度:]
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