内燃机曲柄连杆机构冲击动力学分析

2013-02-24马炳杰张欢王志刚

噪声与振动控制 2013年2期

马炳杰，张欢，王志刚

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090）

船舶生命力是船舶保存自己和发挥自身作战能力的必要条件，而船舶抗冲击性能是其生命力的最核心内容。国际上船舶生命力研究已引起各国海军的高度重视，取得了一定的成果。而国内目前的研究大多集中在动力设备隔振系统的抗冲击性能上[1，2]，对于动力设备本身尤其是柴油机冲击响应的研究则较少[3，4]。曲柄连杆机构作为柴油机的重要组成部分，起着将燃料燃烧的化学能转化为机械能的作用。在正常工况下己经承受较大的工作载荷，如果突遭冲击载荷，在两者的叠加之下有可能发生损坏。因此，有必要对其抗冲击能力进行评估[5]。本文基于多体动力学和有限元方法，以柴油机曲柄连杆机构为研究对象，综合考虑机构内部复杂的接触关系、主轴承油膜刚度以及非线性因素，分别在柴油机额定工况和静止工况下，基于BV043/1985标准对机构进行了抗冲击性能评估。

1 曲柄连杆机构动力学模型建模

1.1 动力学建模

曲柄连杆机构作为一种较为复杂的机构，建立一个切合实际的结构动力学模型是进行动力学分析(包括抗冲击分析)的基础。这就需考虑机构的刚体运动与弹性变形的耦合，及其对整个系统运动和动力特性的影响。本文基于多体动力学和有限元方法，将机构的刚体位移与弹性变形的非线性耦合以及各种接触关系引入到系统动力学模型，在额定工况和静止工况下分别求得机构在冲击载荷作用下任意瞬时的动态响应。

本文采用495 AD型柴油机曲柄连杆机构。柴油机系单列直立四冲程四缸机，功率28 kW，额定转速1 500 r/min，额定输出扭矩134 N·m，净重446 kg。柴油机爆发压力如图1所示。

图1 柴油机爆发压力曲线

曲柄连杆机构的主要部件模型如图2所示，活塞销与活塞采用刚性约束约束(tie)，活塞销与连杆小端采用转动约束关系(Hinge)，连杆、连杆轴瓦和连杆大头耦合为一个整体，连杆大端和曲柄销之间采用转动约束关系(Hinge)，主轴颈和主轴瓦采用转动约束关系并施加弹簧以模拟油膜。在划分模型网格时，在划分模型网格时，采用精度较高的六面体单元能显著减少有限元模型单元数目，不但节省计算机时而且提高计算精度[6―8]。但是由于模型的复杂性，本文采用四面体十节点单元，共生成单元147 712个，节点250 837个，如图3所示。

1.2 材料属性

曲柄连杆机构采用42CrMoA钢，其特性参数如表1所示。

2 冲击环境分析和边界条件加载

2.1 冲击环境分析

图2 曲柄连杆机构实体模型

图3 曲柄连杆机构有限元模型

实际水下冲击所发生的冲击激励是不规则的、较为复杂的冲击力或冲击加速度。而考核设备的抗冲击能力需要标准的冲击载荷。目前较为常用的是将实际冲击激励转化为设计冲击谱，由等谱位移D0段、等谱速度v0段及等谱加速度a0段描述[9]，并根据BV043/1985标准转化为时域加速度载荷，使其能接近于机电设备的实际安装使用环境。

根据BV043/1985标准，冲击谱可以等效为双三角形或双半正弦时间历程曲线。由于三角形脉冲更接近于冲击响应谱，计算机输人也比较方便，因此数值仿真时采用了双三角形加速度时历曲线加载，如图4所示，输人载荷由正负2个脉冲组成。正脉冲加速度峰值大，持续时间短，负脉冲加速度峰值小，持续时间长。正脉冲面积为V2，负脉冲面积与正脉冲面积相等，致使其最终速度为0。a2和a4分别为正负脉冲加速度峰值；t3为正脉冲的脉宽；t2和t4分别为正负脉冲加速度峰值出现时刻；t5—t3为负脉冲的脉宽。等效加速度时历曲线经2次积分便得到位移值，此位移值比冲击谱的位移谱值D0要稍大(约1.05倍)。根据BV043/1985标准，上述系数与冲击谱值之间存在下列转换关系：

表1 42 CrMoA钢特性参数

对于质量大于5t的设备冲击谱加速度和速度需进行折减，折减公式为

式中a为折减后的冲击谱加速度；v为折减后的冲击谱速度；m0；设备质量(t)。

最终得到该曲柄连杆机构的冲击谱等效加速度曲线如图4所示。

2.2 边界条件加载

冲击载荷通过轴承座加载，冲击载荷通过轴承座和曲轴之间的油膜传递到曲轴和连杆上。对于冲击输人加速度时域曲线，冲击计算过程中需要控制时间步长(时间步长小于波形最小特征周期)，保证正确的输入波形。

图4 冲击谱等效加速度曲线

3 曲柄连杆机构抗冲击性能计算分析

3.1 额定工况与静止工况下的计算分析

在额定工况下对机构进行冲击动力学分析，可得到机构的最大应力发生在曲轴上，最大值为418 MPa，发生在0.02 s时刻(以上止点为参考点，曲轴转角144度)。连杆最大应力为223 MPa。静止状态下机构的最大应力为308 MPa，连杆最大应力为153 MP a。额定工况下机构的曲轴冲击动力学响应比静止状态下高35.7%，连杆响应比静止状态下高65%，因此在进行曲柄连杆机构的抗冲击性能评估时，不可用静止状态来代替额定工况。图5和图6为曲柄连杆机构在额定工况和静止工况下受到冲击后的响应应力。

图5 额定工况下机构的冲击响应应力

3.2 不同油膜刚度下的计算分析

图6 静止工况下机构的冲击响应应力

考虑到油膜刚度的不确定性，分别取油膜刚度为6×107N/m、9×107N/m和2×108N/m且在额定工况下进行计算，得到机构的冲击响应如表2所示。分析表2中的数据可知，油膜刚度对机构的冲击响应影响较大：随着油膜刚度的增大，机构的应力响应也随之增大。因此从抗冲击的角度考虑，减小油膜刚度可以使机构受到冲击时得以有效保护。但也要注意，减小油膜刚度可能会使机构的位移响应有所增大，因此需要综合考虑。