大型船用柴油机缸盖螺栓预紧过程模拟

邢 辉, 张文春, 武占华, 段树林

(大连海事大学 轮机工程学院, 辽宁 大连 116026)

XING Hui, ZHANG Wenchun, WU Zhanhua, DUAN Shulin

大型船用柴油机缸盖螺栓预紧过程模拟

邢 辉, 张文春, 武占华, 段树林

(大连海事大学 轮机工程学院, 辽宁 大连 116026)

为考察船用柴油机缸盖螺栓预紧过程对缸盖垫片密封性的影响，采用扩展拉格朗日算法对船用柴油机燃烧室部件进行非线性接触分析。以某大型船用柴油机燃烧室部件为研究对象，考虑缸盖垫片的弹塑性变形特性、缸盖螺栓的预紧及各部件间的接触非线性，建立燃烧室部件的有限元分析模型，计算3种不同预紧方案下缸盖螺栓预紧力随载荷步的变化情况，并针对工程实践中常用的预紧方案进行预紧工况下缸盖垫片的非线性有限元分析。分析结果表明：不同组螺栓不同阶段的预紧会对其他螺栓的预紧力产生影响，后预紧的缸盖螺栓会使已预紧缸盖螺栓中的预紧力有一定程度的减小；因缸盖发生弯曲变形，缸盖垫片受力在径向上分布不均匀，垫片外边缘起主要的密封作用并发生一定程度的塑性变形。该研究方法可为多螺栓连接结构螺栓预紧方案的选择提供参考。

船舶工程； 船用柴油机； 缸盖螺栓； 接触； 预紧过程； 有限元分析

XINGHui,ZHANGWenchun,WUZhanhua,DUANShulin

Abstract: The influence of the preloading of cylinder cover bolts to the sealing performance of the cylinder gasket of a marine diesel engine is investigated with the augmented Lagrangian algorithm, conducting nonlinear contact analysis of the combustion chamber components. The finite element analysis model of combustion chamber components is built, factoring in the plastic deformation characteristics of the cylinder gasket, the pretension of the cylinder bolts and nonlinear contact between combustion chamber components. For three different bolt-tightening schemes the preloading change of cylinder bolts with the tightening procedure is calculated. The nonlinear finite element analysis of the cylinder gasket is performed for the common bolt-tightening processes. The study reveals that tightening a bolt may reduce the preload of other bolts tightened previously, to some extent which causes uneven radial stress distribution of cylinder gasket due to the bending deformation of cylinder cover. The slight plastic deformation, existing at the outer edge of the cylinder gasket guarantees the gas tightness.

Keywords: ship engineering; marine diesel engine; cylinder cover bolt; contact; preloading; finite element analysis

柴油机是一种高功率密度的热能动力机械，在运行过程中对燃烧室部件的可靠性和耐久性具有较高的要求。以往对燃烧室部件的研究[1-2]往往忽略各部件间的装配关系，且对存在预紧力及非线性接触特征的部件(如缸盖螺栓和垫片等)的研究较少。近年来，相关学者[3-5]开展了考虑非线性接触因素的气缸密封性能的研究，已取得一些成果。但是，燃烧室各部件在预紧和工作过程中因螺栓预紧过程不同而在相互接触和受力方面存在着较大的不确定性，按单个部件的简化模型或恒定的接触和受力关系开展仿真研究必然会影响计算结果的准确性[6]，因此必须考虑各部件间的相互作用，并将其看作一个系统来分析。一些学者[7-9]通过试验或有限元分析的方法研究螺栓预紧力在预紧过程中的变化情况，得出各螺栓之间的弹性相互作用对预紧力的影响规律。这里以某大型二冲程船用柴油机为研究对象，建立气缸盖、缸盖螺栓、缸盖垫片和气缸套的三维实体有限元模型，计及这些部件间的接触关系及缸盖螺栓预紧力，并考虑螺栓的预紧过程，计算螺栓预紧力与垫片应力在螺栓预紧过程中的变化关系，对缸盖垫片在预紧工况下的受力状况进行分析，为燃烧室部件的可靠性计算、强度校核和缸盖螺栓预紧工艺的确定提供有效的解决方法。

1 有限元模型与边界条件

应用Creo2.0分别建立气缸盖、缸盖垫片、缸盖螺栓和气缸套的三维实体模型，并按实际装配要求对这些部件进行组装。这里主要考察缸盖螺栓和缸盖垫片的受力情况；同时，为控制非线性接触计算的规模并确保其收敛性，忽略气缸盖上安装的排气阀、喷油器、示功阀、气缸起动阀及内部冷却水通道和各种小孔。缸套凸肩坐落在气缸体上，凸肩以下的缸套部分不受力，在凸肩处截断。气缸盖、缸盖垫片、缸盖螺栓和气缸套的三维实体模型均采用高阶六面体单元Solid 95离散，对气缸盖、气缸套与垫片接触的区域进行局部网格细化并确保接触单元一一对应；缸盖螺栓上端螺母与缸盖顶面之间、缸盖底面与缸盖垫片上表面之间及缸盖垫片下表面与气缸套顶面之间通过TARGE 170 和CONTA 174单元定义接触。缸盖螺栓与螺母之间及缸盖螺栓与气缸体螺纹孔之间忽略螺纹接触；缸盖螺栓与缸盖螺栓孔依据设计尺寸存在间隙。在ANSYS 中选用PRETS 179单元实现螺栓预紧载荷的施加。有限元模型共划分为291 916个单元、1 271 080个节点，有限元分析模型见图1。

图1 有限元分析模型

用于结构分析的各部件材料的特性见表1，其中：缸盖垫片考虑塑性变形，并简化为双线性材料，屈服强度取235 MPa，切线模量取6 100 MPa；其余部件仅考虑弹性变形。

表1 用于结构分析的各部件材料的特性

由于气缸套凸肩坐落在气缸体上，8只缸盖螺栓拧入气缸体内，因此在气缸套凸肩区域和缸盖螺栓底部施加全位移约束。燃烧室各部件在缸盖螺栓预紧力的作用下相互接触，需通过定义接触关系来模拟真实的工作过程。将各部件定义为可变形接触体，对8只缸盖螺栓的螺母与气缸盖之间、气缸盖与缸盖垫片之间及缸盖垫片与气缸套顶面之间可能发生接触的区域定义为面-面接触。在对非线性实体面-面接触进行分析时，采用扩展拉格朗日算法来协调2个接触面的几何和力学关系。[10]

2 缸盖螺栓预紧过程模拟

燃烧室密封性的强弱很大程度上取决于缸盖垫片的工作状态，而缸盖垫片上作用力的分布又与缸盖螺栓的预紧过程有关。为确保缸盖螺栓及缸盖垫片受力均匀，一般分2个阶段进行预紧：第1阶段施加500 kN的预紧力；第2阶段施加810 kN的预紧力。但在实际的生产实践中，缸盖螺栓的预紧方法存在较大差异，根据所配备的液压拉伸器的数量，可能存在对称2只缸盖螺栓同时预紧、对称4只缸盖螺栓同时预紧和全部8只缸盖螺栓同时预紧等情况。分步预紧可能导致最后的缸盖螺栓和缸盖垫片受力不均匀。下面根据所建立的有限元模型进行缸盖螺栓的载荷分析。

2.1对称2只缸盖螺栓同时预紧

2.1.1预紧方案

图2为螺栓预紧方案示意，将8只缸盖螺栓分为4组，使用2只液压拉伸器，每次对称的2只缸盖螺栓交替预紧，设定的预紧顺序为B1，B5→B3，B7→B2，B6→B4，B8。预紧过程分以下2个阶段完成。

(1) 第1阶段包括1～6载荷步(LS)，依次将4组缸盖螺栓的预紧力从0增加到500 kN；LS1初始装配结构，施加0.1%的预紧力；LS2给缸盖螺栓B1和B5施加500 kN的预紧力；LS3将缸盖螺栓B1和B5锁定，同时给缸盖螺栓B3和B7施加500 kN的预紧力；LS4将缸盖螺栓B3和B7锁定，同时给缸盖螺栓B2和B6施加500 kN的预紧力；LS5将缸盖螺栓B2和B6锁定，同时给缸盖螺栓B4和B8施加500 kN的预紧力；LS6将缸盖螺栓B4和B8锁定。

图2 螺栓预紧方案示意

(2) 第2阶段包括7～11载荷步，依次将4组缸盖螺栓预紧力从500 kN增加到810 kN；LS7给缸盖螺栓B1和B5施加810 kN的预紧力；LS8将缸盖螺栓B1和B5锁定，同时给缸盖螺栓B3和B7施加810 kN的预紧力；LS9将缸盖螺栓B3和B7锁定，同时给缸盖螺栓B2和B6施加810 kN的预紧力；LS10将缸盖螺栓B2和B6锁定，同时给缸盖螺栓B4和B8施加810 kN的预紧力；LS11将缸盖螺栓B4和B8锁定。

2.1.2计算结果

根据11个载荷步的缸盖螺栓预紧力变化的有限元分析结果，得到各组缸盖螺栓的预紧力随载荷步的变化情况(见图3)。

图3 各组缸盖螺栓的预紧力随载荷步的变化情况

由图3可知，预紧过程结束后，8只缸盖螺栓(B1～B8)的预紧力分别为774 kN，802 kN，783 kN，810 kN，774 kN，802 kN，783 kN和810 kN。由此可看出，在进行多螺栓分阶段预紧时，后预紧的缸盖螺栓会对前面已预紧的缸盖螺栓中的预紧力产生影响，使其出现一定程度的减小。缸盖螺栓B1和B5的预紧力比B4和B8的小36 kN，即在工作状态下，其实际预紧力小于设计预紧力。

2.2对称4只缸盖螺栓同时预紧

2.2.1预紧方案

在图2中，将8只缸盖螺栓分为2组，使用4只液压拉伸器，每次对称的4只缸盖螺栓交替预紧，设定的预紧顺序为B1，B3，B5，B7→B2，B4，B6，B8。预紧过程分以下2个阶段完成。

(1)第1阶段包括1～4载荷步，依次将2组缸盖螺栓预紧力从0增加到500 kN；LS1初始装配结构，施加0.1%的预紧力；LS2给缸盖螺栓B1，B3，B5和B7施加500 kN的预紧力；LS3将缸盖螺栓B1，B3，B5和B7锁定，同时给缸盖螺栓B2，B4，B6和B8施加500 kN的预紧力；LS4将缸盖螺栓B2，B4，B6和B8锁定。

(2) 第2阶段包括5～7载荷步，依次将2组缸盖螺栓预紧力从500 kN增加到810 kN；LS5给缸盖螺栓B1，B3，B5和B7施加810 kN的预紧力；LS6将缸盖螺栓B1，B3，B5和B7锁定，同时给缸盖螺栓B2，B4，B6和B8施加810 kN的预紧力；LS7将缸盖螺栓B2，B4，B6和B8锁定。

2.2.2计算结果

根据7个载荷步的缸盖螺栓预紧力变化的有限元分析结果，得到各组缸盖螺栓的预紧力随载荷步的变化情况(见图4)。

图4 各组缸盖螺栓的预紧力随载荷步的变化情况

由图4可知，预紧过程结束后，缸盖螺栓B1，B3，B5和B7的预紧力为783 kN；B2，B4，B6和B8的预紧力为810 kN。缸盖螺栓B1，B3，B5和B7的预紧力比B2，B4，B6和B8的预紧力小27 kN。

2.3全部8只缸盖螺栓同时预紧

在图2中，使用8只液压拉伸器，将8只缸盖螺栓同时预紧。预紧过程分2个阶段完成，根据5个载荷步的缸盖螺栓预紧力变化的有限元分析结果，得到8只缸盖螺栓预紧结束后的预紧力均为810 kN。

3 结果分析

3.1预紧方案对比分析

通过对比以上3种预紧方案发现：采用2只缸盖螺栓同时预紧方案或4只缸盖螺栓同时预紧方案时，后预紧的缸盖螺栓会使已预紧缸盖螺栓中的预紧力出现一定程度的减小，但预紧结束后2种方案各缸盖螺栓的预紧力比较接近，使用4只液压拉升器并没有明显改善各缸盖螺栓预紧不均匀的状况，只有采用8只缸盖螺栓同时预紧的方案才能得到比较均匀的螺栓预紧力。因此，配备2只液压拉伸器可满足使用要求并能节省备件成本，但配备4只液压拉伸器可节省燃烧室部件拆装检修的时间；比较理想的方案是配备缸盖螺栓对应数目的液压拉伸器，这样既可改善缸盖螺栓受力的均匀性，又能明显缩短设备拆装检修的时间，但备件成本较高。根据前述计算，对于配备2只或4只液压拉伸器的情况，缸盖螺栓分2个阶段预紧之后应按说明书规定的预紧力对所有缸盖螺栓重新预紧一遍，以确保缸盖螺栓和缸盖垫片受力的均匀性，这在工程实践中往往会被忽略。

3.2缸盖垫片受力分析

大型船用柴油机一般配备2只缸盖螺栓液压拉伸器专用工具，因此下面针对“2.1”节的预紧方案对缸盖垫片预紧工况下的受力状况进行分析，以考察其变形和密封情况。

预紧过程中，根据11个载荷步的缸盖螺栓预紧力变化的有限元分析结果，得到缸盖垫片的等效应力随载荷步的变化情况(见图5和图6)。

图5 缸盖垫片最大等效应力随载荷步的变化情况

图6 缸盖垫片最小等效应力随载荷步的变化情况

预紧过程结束后，缸盖垫片等效应力在径向方向上差别较大，在靠近内边缘处出现的最小应力为52.7 MPa，外边缘处出现的最大应力为261.8 MPa。缸盖垫片最大等效应力已超过Q235材料的屈服极限，外边缘处发生塑性变形。由此可见，在缸盖螺栓预紧力的作用下，缸盖发生弯曲变形。垫片圆周方向的等效应力分布较均匀，有利于满足垫片密封性要求。

4 结束语

1)通过建立大型船用柴油机燃烧室部件的精细有限元模型，对工程实践中缸盖螺栓预紧过程进行数值模拟。计算结果表明，不同组螺栓不同阶段的预紧会对其他螺栓的预紧力产生不同的影响。可组合多种可能的螺栓预紧方案，并充分考虑最终螺栓预紧力分布的均匀性、燃烧室部件拆装检修的快速性和备件的经济性，通过分析比较找出最合理的预紧方案。

2)所研究的大型船用柴油机缸盖垫片在预紧过程结束后圆周方向上的应力分布较均匀，径向方向上的应力分布不均匀，外边缘处发生塑性变形。

3)所采用的研究方法可为船用柴油机各螺栓在设计阶段选择预紧方案和评价预紧效果提供参考，避免依靠工程经验的不确定性及浪费大量重复试验的时间和经济成本。

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SimulationofBoltPreloadingProcessofCylinderCoveron
LargeMarineDieselEngine

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

U664.121；TK423

A

2016-01-13

中央高校基本科研业务费专项资金(3132016336)

邢 辉(1980—),男,湖北浠水人,副教授,博士生,主要从事船舶动力装置性能评价与优化方面的研究。 E-mail: xingcage@163.com

1000-4653(2016)02-0015-04