Abaqus在某发动机主轴承螺纹孔强度分析的应用

时间:2022-09-01 02:13:15

Abaqus在某发动机主轴承螺纹孔强度分析的应用

摘要: 用AVL/Excite软件对某款发动机主轴承进行EHD分析,选择最危险时刻的主轴承载荷,将主轴承油膜压力结果映射到主轴承壁计算网格表面上,用Abaqus计算全局模型位移,并以此作为边界条件计算主轴承螺栓孔子模型的应力,通过FEMFAT对主轴承孔螺纹进行高周疲劳分析,对结果做出评价,提出结构改进建议.

关键词: 主轴承螺栓孔; 疲劳强度; Abaqus

中图分类号: U464.13; TB115.1文献标志码: B

收稿日期: 2013[KG*9〗08[KG*9〗30

作者简介: 姚建军(1978—),男,湖北人,硕士,研究方向为发动机CAE和NVH技术,(Email)0引言

某发动机在耐久性试验中气缸体主轴承座出现开裂故障,经检查裂源位于主轴承螺栓孔内螺纹与主轴承螺栓根部结合位置,由内向外扩展至气缸体外侧面.由于发动机结构和受力情况非常复杂,且螺栓孔螺纹应力难以测量,对内螺纹强度通过有限元分析是最好的手段.

本文通过AVL/ Excite软件进行多体动力学模拟,对主轴承进行分析,并将主轴承的油膜压力映射到主轴承座的轴瓦表面,利用Abaqus算出全模型在各工况的位移,并以此作为边界条件,算出主轴瓦EHD载荷.

1模型建立与计算

1.1动力学分析

利用AVL/Excite软件,计算得出主轴瓦EHD载荷,见图1.主轴承油膜压力见图2.(a)第一轴承载荷(b)第二轴承载荷(c)第四轴承载荷(d)第五轴承载荷图 1主轴瓦EHD载荷

(a)第一轴承1 447°总压(b)第二轴承1 450°总压(c)第四轴承1 811°总压(d)第五轴承1 808°总压图 2主轴承油膜压力

1.2有限元分析全局模型

有限元模型包括气缸体、主轴承盖、主轴承螺栓、上主轴瓦和下主轴瓦,由于第一~四主轴承座结构相同,为便于计算,分析模型保留第一,二,四和五主轴承,简化成一个3缸模型.单元类型为十节点六面体单元C3D10M,有限元模型见图3,连接对定义见表1.

图 3有限元全局模型

表 1连接对定义主面从面连接类型备注气缸体轴承面主轴承盖轴承面Slide摩擦因数0.15气缸体轴承左侧面主轴承盖左侧面Slide过盈0.04气缸体轴承右侧面主轴承盖右侧面Slide过盈0.04主轴承螺栓法兰面主轴承盖面Tie主轴承螺栓螺纹面气缸体螺栓孔面Tie气缸体主轴承孔上主轴瓦Slide半径过盈0.05主轴承盖主轴承孔下主轴瓦Slide半径过盈0.05上主轴瓦底面下主轴瓦顶面Slide摩擦因数0.15

用SimLab软件划分有限元网格,在Abaqus/CAE中施加边界条件,用Abaqus求解.生产过程中主轴承孔是将气缸体、主轴承盖和主轴承螺栓等装配起来后在上紧螺栓状态下进行加工的.计算中为消除螺栓预紧后所引起的主轴承孔变形,首先进行一次螺栓上紧计算,得到主轴承孔变形量后进行反圆处理.

工作过程中受到主轴承螺栓预紧力、主轴瓦过盈和轴承载荷的综合作用,轴承载荷通过将主轴承的油膜压力映射到主轴承座的轴瓦表面,计算分析步分3步:(1)主轴承螺栓预紧;(2)主轴承螺栓预紧+主轴瓦过盈;(3)主轴承螺栓预紧+主轴瓦过盈+轴承载荷.

1.3有限元分析子模型

模型包括主轴承螺栓孔和主轴承螺栓,采用六面体1阶单元C3D8I,见图4.

图 4子模型剖示图以及气缸体在螺栓预紧+

主轴瓦过盈位移分布

以全模型位移为边界条件,通过Abaqus求得各工况计算结果,气缸体在螺栓预紧和主轴瓦过盈工况下的位移分布云图见图4,第二主轴承左侧螺栓孔第一主应力分布见图5.

(a)第二主轴承第二分析步应力云图(b)第二主轴承第三分析步应力云图图 5主轴承左侧螺栓孔第一主应力分布

在第二与第三分析步之间进行循环,通过FEMFAT计算子模型螺栓内孔螺纹疲劳强度,各个主轴承孔螺纹疲劳安全因数均小于1,见表2.疲劳安全因数最小的位置正好处于主轴承螺栓根部,见图6,主要原因是此处位移梯度过大.对主轴承螺栓孔进行优化,加大主轴承螺栓搭子厚度,以提高此处刚度,优化方案见图7.优化方案主轴承座螺纹孔位置的疲劳安全因数云图见图8,主轴承螺栓孔疲劳安全因数均大于1.10.经过台架可靠性试验验证,此类故障不再发生.

表 2主轴承螺栓孔螺纹疲劳安全因数主轴承第一主

2结论

(1)原方案的主轴承孔螺纹位置的疲劳安全因数偏小是主轴承座出现故障的主要原因.优化方案的主轴承孔螺纹位置疲劳安全因数均大于1.10,强度满足要求,并经过试验验证.

(2)油膜压力可以提供准确的载荷边界条件,子模型方法可以方便地得到主轴承座螺纹更为精确的结果.

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