主轴承座长短螺栓连接结构强度分析研究

丁先威，赵建华，张瑞波

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

主轴承座长短螺栓连接结构强度分析研究

丁先威，赵建华，张瑞波

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

柴油机升功率的大幅度提高对强载度的要求不断提高，螺栓预紧力加载下模拟计算研究愈发显得重要与必要。利用有限元软件ABAQUS强大的求解非线性问题的能力和模拟复杂可靠性的优势，对某型单缸柴油机机体分别进行长短螺栓连接建模模拟，对比分析当长螺栓截去一部分时，机体的模态频率、振型和各主要部件的应力变化，探讨两种不同连接方式对主轴承结构强度的影响。

螺栓预紧力；ABAQUS；长短螺栓；模态；振型；应力

伴随着柴油机升功率的大幅度提高，其对强载度的要求也不断提高，因此，柴油机机体和主轴承座的承载要求和可靠性越来越受到重视。张瑞波等对螺栓预紧力的单缸机体及主轴结构强度进行了建模分析研究。

螺栓连接作为一种广泛应用于机械、汽车、电气、航空等工程领域的连接方式，在不同的外界激励下通常会表现出一定的非线性，其连接的动力学特性将直接影响到结构在振动环境下的响应。

柴油机机械系统由多个零件通过各种连接方式联结起来，其性能分析除了重要零部件单独的性能分析以外，零部件之间的连接特性也是不可忽略的重要方面。

本文基于有限元软件ABAQUS，对某型柴油机装配的长螺栓截短，由于模型本身的气缸体和曲轴箱本身已经用tie约束，故截短螺栓后可以正常提交分析，比较短螺栓连接下，柴油机主要部位的模态频率与应力状态。

1 柴油机连结为短螺栓的有限元建模

利用有限元软件ABAQUS对某型柴油机单缸机，其基本参数：缸径280mm，冲程330mm，对其长螺栓进行截断，在不改变其他连接与边界条件下，将长螺栓，（如图1所示），由其长度755mm截短至522.5mm，如图2所示。

运用ABAQUS有限元软件，对该原有装配模型进行截短后的短螺栓装配，其中的气缸体、主轴承盖保持原有tie合成方式不变，装配后的模型如图3所示。

2 模态分析

由张瑞波等的模态分析可知，仿真模态分析过程中的螺栓预紧力是必须考虑在内的因素。在有限元软件ABAQUS中统一设定长短螺栓预紧力为1250kN，进行分析模拟计算，长螺栓的频率A与短螺栓模态频率B如表1所示。

图1 长螺栓模型

图2 截短后的短螺栓模型

对比预紧力下长短螺栓频率，柴油机装配为短螺栓后，其前四阶的模态频率和振型区别逐渐增大，特别是第一、第四阶模态频率显著提升。但也可以发现整个增加过程呈现出非线性、无规律，这是由于影响模态频率的因素很多，其机理更是十分复杂，目前尚无一个十分通用的有效方法解决这个问题。

3 带螺栓预紧力连接为短螺栓时应力的计算与分析

图3 短螺栓有限元装配模型

表1 预紧力下长短螺栓约束模态频率对比

考虑轴瓦接触的情况下进行了装配应力计算分析，装配应力计算模型中包含气缸体、曲轴箱、主轴承盖、连接螺栓、轴瓦（上下轴瓦采用tie方式连接）。螺栓与气缸体、气缸体与曲轴箱之间采用tie方式约束，螺栓与主轴承盖、主轴承盖与曲轴箱、轴瓦与主轴承盖、机体之间定义接触，加载螺栓预紧力1250kN后，主轴承盖与螺栓接触部位的应力达到300MPa，曲轴箱应力达到150MPa，螺栓杆部应力达到800MPa，螺纹与螺杆过度区域面积达到950MPa（此处建模过程中去除倒角）。

较考虑螺栓预紧力时长螺栓下的应力与轴承孔变形，短螺栓连接下的整机应力、主轴承、曲轴箱和短螺栓等局部应力都变大了，且轴承孔变形情况十分严重，在实际短螺栓连接情况下，应适当减小其螺栓预紧力，以防造成损坏。这也说明在日常使用过程中，螺栓等的装配也是重要的，不符合预紧力等的安装条件的安装，往往会对设备的正常使用、寿命等产生难以预估的影响。

4 结语

（1）短螺栓连接对柴油机振型产生了较大改变，低阶振型频率特别是第一阶由110.6Hz上升到207.2Hz，而振型频率对柴油机的振动有直接影响，这就提醒在柴油机的设计要充分考虑诸如柴油机长短连接对共振频率的影响，使其常用工况避免在低阶模态频率区。

（2）本次计算模拟中的短螺栓连接对机体、主轴承盖、曲轴箱等主要零部件局部应力增大，尤其是轴承口变形严重。这启示我们对大功率，恶劣环境及特殊工况下柴油机的零部件进行设计优化，应当先尝试通过模拟计算对各零部件优化设计比较，提高各主要零部件性能与可靠性，来达到机体整体的优化设计。

（3）通过运用ABAQUS有限元仿真建模，比较了考虑螺栓预紧力下某型柴油机的机体模型模态振型与应力，通过对比，分析了短螺栓造成的影响，对重要机械零部件的设计优化具有指导意义。同时，由于仿真建模本身具有一定的局限性，实际问题千差万别，对于此类问题，有条件的情况下，应采用试验进行论证，如果能运用大量的试验数据对仿真的结果进行对比分析，在此基础上减少误差、优化仿真方法，对实际工程应用会产生更大的价值。

[1]吴昌华，马恩伟.柴油机机体刚度和强度计算的几个问题[J].铁道学报，1984,6(3):1～10.

[2]李嘉，赵雨东. 柴油机主轴承座的有限元强度分析[J]. 车用发动机，2007,167(1):83～87.

[3]张瑞波，赵建华，汪宏伟. 考虑螺栓预紧力的单缸机机体及主轴承结构强度分析[J].小型内燃机与摩托车，2014,2:17～26.

[4]陈学前，杜强，冯加全.螺栓连接非线性振动研究[J].振动与冲击，2009,7:196～223.

[5]程来，宋言民，李贺等.基于等效接触区域的螺栓连接结构模态分析[J].机械设计与研究，2012,2:44～47.

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