内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究

内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究

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孙 军 汪景峰 桂长林

(合肥工业大学机械与汽车工程学院 合肥 230009)

摘 要:有限元方法已经成为内燃机零部件应力和变形计算的主要手段,但是目前在内燃机零部件有限元分析中采用的边界条件是否合理,有无必要采用更符合实际的边界条件?本文以曲轴为例,模拟实际

状况,采用不同的边界条件进行了有限元计算。计算结果表明,边界条件处理对曲轴有限元分析结果影响很大。因此,为了提高内燃机零部件有限元计算结果的精度,非常有必要根据实际情况确定边界条件。

关键词:边界条件 有限元 内燃机中图分类号:TK412.4 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2005)03-0006-03

Study on Boundary Condition in Finite Ele ment Calculation

for Parts of Internal Co mbustion Engi ne

Sun Jun ,W ang Jingfeng ,Gui Changlin H efeiUn i v ersity of Techno l o gy (H efei 230009)

Abst ract :The fi n ite ele m ent m et h od has beco m e the m a i n m eans to calcu late t h e stress and de f o r m ation o f parts for inter na l co m bustion engine .Bu,t whether the boundary conditi o ns used i n FE ana l y sis on parts o f i n -ter nal co m busti o n eng ine are reasonable ?Is it necessary to use the boundary condition ,wh ich ism ore adapta -b le to the facts ?As an exa m p le ,the crankshaft is ca lculated by FE usi n g d ifferent boundary conditi o ns that si m ulate factual conditi o ns .The resu lts sho w t h at the boundary conditi o ns have i m portant effects on the results of FE analysis o f crankshaf.t Therefo re ,it is necessary to choose boundary cond itions acco r d i n g to factua l con -d iti o n i n o r der to i m prove the prec isi o n of calcu l a ti n g resu lts for parts o f i n ternal co m bustion eng i n e .K eyw ords :Boundary conditi o n ,F i n ite ele m en,t I C eng i n e

前言

随着有限元计算技术的进步,有限元方法目前已

经成为内燃机零部件应力和变形计算的主要手段。内燃机零部件的有限元分析,类似于其他问题的有限元分析,边界条件的处理是否合理直接影响计算结果的精确性。本文以曲轴为例,分析目前采用的边界条件是否合理,有无必要采用更符合实际的边界条件。

目前在曲轴有限元计算中,载荷边界条件的处理(重点是作用在轴颈表面的力处理)基本采用的是定

型模式,其假设作用在轴颈上的载荷(其与曲轴轴承油膜压力对应)为分布载荷,沿轴线方向均布或呈抛物线分布,沿圆周方向呈余弦分布

[1~4]

。这种处理方

法简单易行,但其属于较理想的状况,因为实际曲轴轴承的油膜压力分布规律复杂,且随时间变化。沿轴向抛物线型的油膜压力分布规律仅适合于无限短且轴颈轴线与轴承孔中心线平行的滑动轴承,实际的曲轴轴承为有限长轴承,且由于受到诸多因素的影响,如载荷作用下轴的变形、轴承的制造与装配误差和轴的热变形

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基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175023)

作者简介:孙军(1960-),男,硕士,研究方向,内燃机现代设计理论与方法。

第34卷 第3期2005年6月小型内燃机与摩托车

S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLE Vo.l 34No .3

June .2005

等,其工作时轴颈在轴承孔中往往处于倾斜状态。显然,由于存在假设,目前的载荷边界条件处理方法与实际情况之间存在差异,这将直接影响曲轴应力和变形的有限元计算结果,不能满足当今对设计计算提出的高精确性要求。然而,其影响计算结果的程度有多大,计算中是否一定要考虑这种差异,即是否应该在计算中采用尽可能接近实际情况的载荷等边界条件,尚未见到进行系统研究的报导。

本文采用几种不同型式的载荷和位移边界条件,对内燃机曲轴进行有限元分析计算,以分析不同的边界条件处理方法对曲轴有限元计算结果的影响程度。

1 有限元计算模型

取495柴油机曲轴的单个曲拐作为有限元分析的计算模型。采用十节点四面体等参单元进行网格划分,在应力集中的曲轴局部区域(如过渡圆角处)加密网格。图1为有限元计算模型,其由27137个单元和41083

个节点组成。

图1 有限元计算模型

2 载荷及位移边界条件处理

计算工况选取膨胀上止点时刻,根据495柴油机动力计算,此时作用在曲轴单拐曲柄销上的载荷大小为42500N 。

为了研究不同载荷边界条件对有限元计算结果的影响,取图2所示的六种载荷边界条件。1)作用在轴颈中央的集中力载荷(图2a);2)沿轴线方向呈抛物线分布,沿圆周方向呈余弦分布的分布载荷(图2b );3)沿轴线方向均布,沿圆周方向呈余弦分布的分布载荷(图2c);4)作用在轴颈轴向1/4长度处的集中力载荷(图2d);5)作用在接近轴颈端部处的集中力载荷(图2e);6)沿轴线方向呈线性分布,沿圆周方向呈余弦分布的分布载荷(图2f)。其中,图2a 为早期计算采用的载荷形式,图2b 和图2c 为目前计算常用的载荷形式,图2d 、图2e 和图2f 为假设的三种模拟载荷

形式。考虑后三种载荷形式,是考虑了如下的实际工作状况,即实际曲轴轴承是有限长轴承,且在工作中轴颈轴线与轴承孔中心线往往不平行,根据作者已完成的考虑到轴颈在轴承孔中倾斜时滑动轴承润滑分析的计算结果,当轴颈倾斜时,最大油膜压力偏离轴颈中央,且随轴颈倾斜角的加大,最大油膜压力位置向轴承端部移动,其数值也明显增大。图2f 模拟轴颈倾斜角不太大的情况,图2d 和图2e 模拟轴颈倾斜的极限状况,此时倾斜角相对很大,曲轴轴承的润滑问题已不能完全按面接触摩擦副处理,其接近于点接触润滑问题。上述六种载荷边界条件下的曲轴有限元计算采用相同的位移边界条件,即在两端主轴颈位于曲拐对称面内的最下部节点上加径向位移约束,在一端主轴颈截面一节点上加轴向位移约束。

研究位移边界条件的影响时,取下面三种径向位移边界条件:1)在两端主轴颈位于曲拐对称面内的最下部节点上加约束;2)在两端主轴颈的最下部沿曲拐对称面两侧30b 范围加面约束;3)在两端主轴颈的最下部沿曲拐对称面两侧60b 范围加面约束。此外,在一端主轴颈截面一节点上加轴向位移约束。载荷边界条件均取图2a 所示的作用在轴颈中央的集中力载荷。

3 计算结果与分析

表1和表2分别给出了上述六种载荷边界条件下节点的第一主应力及y 向位移和三种位移边界条件下节点的第一主应力的计算结果,其中给出的六个节点位置分别位于曲轴单拐对称面与主轴颈和曲柄销过渡圆角的交点处(如图3所示)。

表1 六种载荷边界条件下节点的第一主应力和y 向位移

节点号载荷方式

图2a

图2b

图2c

图2d

2e

图2f

246

第一主应力/M Pa-6.7384-6.4496-6.4796-8.8218-10.649-7.0005y 向位移/10-5m

2.13

1.99

1.99

2.49

2.67

2.07

264

第一主应力/M Pa -8.145-7.7778-7.8127-6.0582-4.563-7.1916y 向位移/10-5m

2.23

2.08

2.08

1.90

1.66

1.99

356

第一主应力/M Pa 104.245.99346.107179.592254.554.153y 向位移/10-5m

4.50

4.08

4.09

5.57

6.98

4.30

23

第一主应力/M Pa 576.44519.98519.67462.54377.35492.24y 向位移/10-5m

3.78

3.56

3.56

3.42

3.15

3.45

17

第一主应力/M Pa 539.82494.32493.92616.82647.65516.08y 向位移/10-5m

3.69

3.47

3.48

4.03

4.24

3.56

355

第一主应力/M Pa 102.6646.74347.41437.43413.71738.423y 向位移/10-5m

4.57

4.15

4.17

3.73

3.27

3.95

7

第3期孙 军等:内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究