某船用柴油机连杆螺栓有限元强度校核

2016-03-10林玮

江苏船舶 2016年6期

关键词：校核安全系数连杆

林玮

(无锡市地方海事局，江苏无锡 214043)

某船用柴油机连杆螺栓有限元强度校核

林玮

(无锡市地方海事局，江苏无锡 214043)

以某V8柴油机为研究对象，依照设计图纸在ABAQUS有限元计算软件中建立连杆装配体有限元模型，按实际接触关系定义接触对，一共定义了11个接触对，4个螺栓绑定约束。对连杆螺栓在2种极限工况下进行有限元计算，分别为气缸在最大爆发压力下的工况和连杆受最大拉力时的工况，并对计算结果根据第4强度理论进行强度校核。校核结果显示，疲劳安全系数大于许用安全系数，该连杆螺栓在额定工况下是安全的。

柴油机；连杆螺栓；有限元；强度计算

0 引言

计算机辅助工程 (CAE)在柴油机的研制过程中已经得到了广泛的应用。采用CAE技术能够显著提高柴油机研制的科学性，减少盲目性，从而提高研制效率。船用柴油机具有体积大、重量大的特点。在确保输出功率的前提下，为减少船用柴油机体积和重量，设计各个零部件时在满足强度要求的前提下，应尽量减少零部件的体积和重量。本文所校核的连杆螺栓为某船用V型8缸柴油机的连杆螺栓。由于柴油机的连杆螺栓受力比较复杂，难以用直接计算法进行螺栓强度校核，因此，本文按照设计图纸，利用ABAQUS软件对柴油机的连杆建立连杆装配体有限元计算模型。对连杆螺栓在2种极限工况下进行有限元计算，分别为气缸在最大爆发压力下的工况和连杆受最大拉力时的工况。对计算结果根据第4强度理论进行强度校核。

1 柴油机及连杆螺栓相关参数

本文研究的柴油机的基本参数见表1。连杆螺栓的规格为M20 mm×100 mm，材质为42CrMo。查阅GB/T 3077—1999得到：42CrMo圆钢的强度极限σb=1 080 MPa，屈服极限σs=930 MPa。通过数值计算，可以得出连杆螺栓在2种极限工况下的载荷。

2 有限元计算模型

2.1 结构模型

连杆有限元计算模型如图1所示。在建模时，删除了一些倒角和油孔，然后对处理好的几何实体进行网格划分，定义材料属性，对活塞销将在ABAQUS软件中采用分析刚体进行建模，以简化计算。有限元计算模型的网格划分很关键，单元的选择对计算的进程影响很大，若直接采用修正的2次4面体单元，基本上很难收敛。本文采用混合网格划分，在关键的接触面上尽量采用非协调单元C3D8I。

图1 连杆有限元模型

2.2 边界条件

对连杆身、活塞销、轴瓦限制其沿曲柄销轴向的位移，对曲柄销限制其所有方向的自由度。由于连杆是个装配体，不能按通常的有限元计算进行建模，因此本文对连杆装配体所有有接触的部件定义了接触对。螺栓、螺纹孔之间定义为绑定约束。

2.3 载荷的处理

经过数值计算，得出柴油机在额定转速下连杆所受的所有载荷，其具体情况见表2。在连杆有限元模型中，根据数值计算得出的载荷大小和实际受力方向添加载荷。

表2 额定工况下的载荷

3 结果分析

3.1 连杆螺栓的许用应力

根据《机械设计手册》第4版第2卷要求，螺栓抗拉许用应力[σ]按式(1)计算：

[σ]=σS/n

式中：σS为材料的屈服强度，σS=930 MPa ；n为安全系数，n=1.8。

经计算，抗拉许用应力[σ]=516.7 MPa。

3.2 计算校核

经过有限元计算，得到螺栓在最大爆发压力工况时的应力云图和螺栓在最大拉力工况时的应力云图，其应力云图分别如图2、如图3所示。

图2 最大爆发压力工况时的螺栓应力云图

图3 最大拉力工况时的螺栓应力云图

从图2得知，最大爆发压力工况时连杆螺栓的应力最大值约为70MPa；图3中，连杆螺栓与连杆接触绑定的部位的应力值最大，约为285 MPa，单元号为71。经分析可知，拉伸工况下螺栓处于最恶劣的受力环境。由于连杆大头形式是斜切口形式，在最大拉力工况下，螺栓受力时不仅存在拉应力，还存在剪切应力，所以这一时刻螺栓所受到的应力很大。连杆螺栓的拉应力在最大爆发压力工况和最大拉力工况下均未超过抗拉许用应力[σ]，因而连杆螺栓是安全的，且安全裕度较大。

连杆螺栓在交变载荷下容易发生疲劳破坏。疲劳断裂为高强度螺栓[1]的主要形式，所以在这里对71号单元进行疲劳强度校核。疲劳安全系数n根据以下公式[2]来计算，即

式中：σa为应力幅，MPa，σa=(σ拉-σ压)/2；σm为平均应力，MPa，σm=(σ拉+σ压)/2；σ-1Z为对称拉压循环疲劳极限，取σ-1Z=0.42σb=453 MPa；kσ为应力集中系数，kσ=1；εσ为尺寸影响系数，εσ=1；β为工艺系数，β=0.6；Ψa为角系数，Ψa=0.2。

由文献[3]可得，许用安全系数[n]=1.3～1.5。71号单元在最大拉力工况下的应力值σ拉为285 MPa，在最大爆发压力工况下的应力值σ压为-28 MPa。

经计算，n=1.59。

n>[n]，由此判断该连杆螺栓在额定工况下是安全的。