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首頁 > 發(fā)動機主軸承座回油孔強度校核的有限元計算與驗證
運用大型通用有限元分析軟件“ANSYS”利用有限元計算的方法對某型發(fā)動機的主軸承座追加了回油孔后的強度進行校核，根據(jù)計算的結(jié)果，進行了實機的應(yīng)力測試.實機應(yīng)力測試的結(jié)果確認(rèn)在主軸承座追加回油孔后并不會出現(xiàn)強度不足的情形，與運用有限元分析的結(jié)果較為一致，說明了有限元模型的精度基本能夠滿足強度校核的要求。
對于每一個零件的設(shè)計變更，設(shè)計者都需要了解變更對于整個系統(tǒng)的影響，也就是驗證機械結(jié)構(gòu)在受到外力載荷時的反應(yīng)。通過該反應(yīng)可知道機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力載荷后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設(shè)計要求。但一般機械系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的載荷也相當(dāng)多，完全真實的理論分析往往無法進行，想要得到解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法進行分析。
有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬，通過劃分簡單而又相互作用的元素，即單元，用有限數(shù)量的單元去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)的一種分析方法。
對于每一個離散的“單元”都有確定的方程來描述它在一定載荷下的響應(yīng)，模型中所有單元的響應(yīng)的集合就是設(shè)計模型的總體響應(yīng)。一個模擬模型中包含的被確定方程約束的“單元”越多，該模型就越接近于真實系統(tǒng)，在與高速發(fā)展的計算機技術(shù)相互融合后，運用計算機進行“有限元分析”輔助設(shè)計相比較單獨的實體試驗更節(jié)約費用，又可縮短設(shè)計開發(fā)的時間，創(chuàng)造出更高品質(zhì)、更可靠的產(chǎn)品。
1 問題描述
為對應(yīng)某型發(fā)動機曲軸后油封漏油現(xiàn)象，需在該款發(fā)動機曲軸第五軸承座位置追加一個回油孔，如圖1所示位置以降低其周圍機油壓力，從而降低機油從后油封位置漏出的可能性.由于軸承座在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中承受著經(jīng)由活塞連桿和曲軸傳遞來的強大載荷，所以鉆孔后的軸承座的強度是否能夠滿足發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)的要求是必須考慮的因素，因此，在制造實體零件之前，先利用ANSYS軟件運用有限元分析的方法對設(shè)計方案的模型進行強度校核。
2 創(chuàng)建有限元模型
首先將在CATIA中繪制完成的打孔后第五軸承座的三維實體模型導(dǎo)入到ANSYS分析軟件中，如圖2所示:
并選擇軟件中的結(jié)構(gòu)分析模塊，這樣結(jié)果將以各單元格的應(yīng)力和應(yīng)變來體現(xiàn)，并在軟件的功能選項中選擇運用諧函數(shù)來解決模型中較為復(fù)雜的有限元分析問題；選擇劃分單元格的類型為“10節(jié)點四面體單元”，因為該型發(fā)動機的軸承座材質(zhì)為HD2 or HS1-T4(鋁材)，所以設(shè)置材料屬性的彈性模量為68Gpa，泊松比為0.34(各向同性);最后設(shè)置智能劃分等級的精度，默認(rèn)為6級，本次分析選擇3級(級數(shù)越低，精度越高，運算量越大)，得到節(jié)點數(shù)為136657，單元格數(shù)為88415如圖3所示:
3 計算并加載
?、儆嬎慊钊麄鬟f給曲軸的最大載荷
根據(jù)經(jīng)驗公式，發(fā)動機運行時的最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角為11度時，大小等于(壓縮比x8-5)。將壓縮比和活塞直徑代入得到活塞承受的最大壓力N約為33000牛。
圖4為曲軸連桿機構(gòu)簡圖，MT為曲軸曲柄半徑T0為連桿長度，MN為曲軸和缸孔的偏心距，點L為活塞上止點位置，LMT等于11度。設(shè)此時MT與豎直方向的夾角即為偏心角β，則活塞經(jīng)連桿傳遞給曲軸的最大壓力
求解圖4中三角形可得
P=32000(牛)，P =15.5(度).
②計算軸承座上的載荷分布
軸承座上的載荷分布如圖5所示
P為活塞經(jīng)連桿傳遞來的最大壓力，β為偏心角，a為偏位角，θ為變量。
滑動軸承在軸承孔與軸頸之間形成一個環(huán)形縫隙，油液在環(huán)形縫隙中的流動是靠軸頸與軸承孔的相對運動而形成的剪切流動。
滑動軸承內(nèi)的壓強分布為:
首先根據(jù)軸承的特性參數(shù)來確定軸承的偏心率εe特性參數(shù)
可以得出εe，將其代入公式2，并將公式2的函數(shù)關(guān)系導(dǎo)入到MATLAB計算軟件中就可以得出壓力隨角度的變化關(guān)系曲線，再由
可計算出偏位角。由于此次分析的是軸承座的強度，即只需計算圖5中x軸下方的力的分布情況，經(jīng)過起點變換后，可得出在軸承座上的壓力隨角度變化的分布情況如圖6所示:
?、哿Φ募虞d
首先對模型中螺栓孔的底端進行全自由度的約束，然后軸承座的受力情況按圖6中力的分布形式進行離散式的加載，力加載在軸承座面的各個節(jié)點上如圖7所示:
4 計算的最后求解
選擇將模型中各個節(jié)點的應(yīng)力以云圖的方式顯示如圖8所示:
由應(yīng)力云圖可以清楚的看出主軸承座上所受的最大等效應(yīng)力并非出現(xiàn)在新鉆的回油孔附近，而是出現(xiàn)在螺栓孔位置，其大小為d1而軸承座材料的抗拉強度極限為422Mpa,屈服極限為275Mpa，故安全系數(shù)為d21xd3?；赜涂赘浇淖畲髴?yīng)力為0.28 Xd3，安全系數(shù)為d4=9.82。
5 實機的應(yīng)力確認(rèn)
為了驗證有限元計算的結(jié)果，對實機主軸承座回油孔附近的應(yīng)力情況進行了確認(rèn)。確認(rèn)的方法通過對軸承座的回油孔附近布置四組應(yīng)變花，應(yīng)變花的布置方式如圖9所示：
通過測定該四組應(yīng)變片的應(yīng)力，再采用線性外推的方法得到回油孔周圍的應(yīng)力值如圖10所示：
回油孔周圍的最大應(yīng)力為25.97MPa，與有限元計算的28MPa的數(shù)據(jù)較為吻合，其偏差為7.25％,基本可以滿足精度要求。
6、結(jié)論
1、經(jīng)過上述的有限元數(shù)值模擬分析，驗證了新設(shè)計的零件的強度仍然滿足要求，為新實體的強度提供了理論的預(yù)測。
2、實機應(yīng)力測試的結(jié)果與理論計算的結(jié)果基本能夠吻合。
3、該有限元模型的簡化計算結(jié)果基本能夠滿足預(yù)測實體強度的精度要求。
