浅析机车柴油机机体纵向刚度计算

徐海涛 徐培武 朱小波

1 机体模型处理

柴油机机体非常复杂，在计算机体纵向刚度时一般还需要保留主轴承盖、纵向螺栓、横拉螺栓、缸套、缸头、缸头螺栓以及螺母等零件，模型处理工作较为复杂。

1.1 几何模型处理

在能够正确表达结构或所关心部分力学行为的条件下，尽可能的去除模型中的小特征，包括小孔、小圆弧、尖角（小于12度），狭窄面、小边碎边（一般来说5mm以下的小特征建议去除）。如果可能，一些大尺寸特征在不影响计算结果的前提下也可删除，如某些不承受载荷的法兰螺栓孔等。缸头几何特征对分析来说只是起到传力左右，建议简化成实体，处理完成的模型见图1。

1.2 有限元模型处理

使用Hypermesh软件划分网格，机体使用高阶四面体网格划分、体网格尺寸控制在20mm左右，对网格质量的要求为：collapse>0.1。见图2。

主轴承盖使用高阶四面体网格划分、体网格尺寸控制在20mm左右，对网格质量的要求为：collapse>0.1。另外对于需要加载或后处理的孔，建议使用R-trias方式划分网格。见图3。

缸套使用低阶六面体网格划分、体网格尺寸控制在20mm左右，对网格质量的要求为：jacobian>0.5。缸头用面单元代替。螺栓用杆单元代替，螺母用rbe2单元代替。见图4。

为了方便计算收敛，各零件的连接处网格节点应当保证一一对应，对于不滑动的配合，合并节点。对于相对滑动的面需要建立接触单元。

2 约束、载荷与边界条件

约束：除主轴承盖与机体之间的接触面定义为摩擦（摩擦系数0.1）外，其余所有接触均采用节点耦合的方式代替。

载荷：按照组装顺序依次添加螺栓预紧力的载荷，为了简化过程，可将同一类的螺栓同时加载。如文中所示柴油机，先预紧主轴承纵向螺栓，再预紧主轴承横向螺栓，最后预紧缸头螺栓。

边界条件：使用杆单元模拟柴油机支撑，可以对支撑点施加相应的位移约束。应当注意不要过约束，图5为一种参考。

3 计算与结果后处理

使用ansys计算，采用线性静态多载荷部计算方法。计算结果使用hyperview处理。对机体纵向刚度的重要评价指标是，主轴承座的阶梯度，可以通过截取放大云图来观察变形趋势。见图6。在后处理模型中定义阶梯度取值的点，即可作出主轴承孔的阶梯度的变化情况。

4 结论与建议

本文以某型柴油机机体为例详细阐述了机体纵向刚度有限元分析的技术方法，为类似分析提供有益参考。

1、文中所示方法明確了机体组建模型处理的方法，量化了有限元网格的技术指标

2、对机体有限元计算中的约束、载荷与边界条件做了详细的阐述。

3、对计算结果的评价给出了合适的方法。

作者简介

徐海涛，男，1988年8月28日，江苏宿迁，硕士研究生，机械工程，助理工程师，中车戚墅堰机车有限公司。

（作者单位：中车戚墅堰机车有限公司）