某发动机主轴承盖优化设计

【前言】某发动机主轴承盖优化设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1试验背景 在进行200 h冷热冲击试验过程中，某型号发动机出现第五主轴承盖断裂现象，见图1.根据断裂零件初步分析其原因为主轴承盖断裂位置结构设计不合理，导致零件在长时间工作过程中产生疲劳断裂.为解决这一问题，通过有限元分析来模拟计算主轴承盖在各工况下的受力...

摘要： 在冷热冲击试验过程中，某发动机第五主轴承盖发生断裂失效.针对该问题，基于Abaqus对主轴承盖组件进行有限元分析，结果表明其断裂处疲劳安全因数低于经验值；对主轴承盖进行优化设计，并运用同样的仿真方法得到疲劳分析结果.经过反复验证，得到主轴承盖最优设计方案，并通过试验验证解决该主轴承盖断裂问题.

关键词： 发动机； 主轴承盖； 有限元； Abaqus

中图分类号： U464.13；TB115.1文献标志码： B

引言

在发动机工作过程中，气体力通过曲柄连杆机构作用在主轴承盖上，使得其承受较大的压力，同时往复惯性力和离心力又使其受到一定的弯曲和扭转作用.为保证发动机正常工作，主轴承座必须要有足够的强度和刚度来承受不同工况下的弯曲、扭转和拉压等作用力.主轴承盖作为主轴承座的一部分，它的结构影响着主轴承座的强度和刚度，也就决定发动机能否正常运行.本文通过有限元分析解决试验中主轴承盖的断裂问题.

1试验背景

在进行200 h冷热冲击试验过程中，某型号发动机出现第五主轴承盖断裂现象，见图1.根据断裂零件初步分析其原因为主轴承盖断裂位置结构设计不合理，导致零件在长时间工作过程中产生疲劳断裂.为解决这一问题，通过有限元分析来模拟计算主轴承盖在各工况下的受力情况和高周疲劳安全因数，进而进行结构优化.

2有限元模型

2.1模型建立和网格划分

主轴承座有限元分析模型主要包括缸体、主轴承盖、主轴承盖螺栓、主轴瓦、下缸体和连接螺栓等.采用Abaqus软件进行有限元分析前处理，网格类型为2阶修正四面体单元，各零部件网格划分见图2.

图 1断裂的主轴承盖

图 2主轴承座模型和网格

2.2边界条件加载

边界条件设置包括接触关系、载荷和边界约束等设置，主轴承座分析主要包括螺栓装配工况、轴瓦过盈工况和最大爆压工况[1]等，见图3.（1）约束缸体顶部x，y和z方向自由度.（2）约束横截面x方向自由度.（3）施加螺栓预紧力.图 3边界条件

主轴瓦过盈工况施加轴瓦过盈量设为0.037 mm；最大爆压由曲轴多体动力学计算结果映射[2]得到，见图4.

图 4映射结果

2.3结果评价

通过Abaqus后处理计算得到主轴承盖在装配工况（螺栓预紧力+主轴瓦过盈）和动载荷工况（螺栓预紧力+主轴瓦过盈+最大爆压）下的计算结果，见图5和6.

图 5装配工况结果

图 6动载荷工况结果

根据静应力计算结果进行高周疲劳计算，结果见图7，最小疲劳安全因数为0.96，低于经验值1.1，所以不满足工作要求，有疲劳断裂风险.[3]

图 7疲劳结果

3结构优化

通过对初始方案进行有限元分析可以看出，疲劳安全因数最小的位置与试验过程中出现断裂的位置相符.此处圆角主要承受螺栓预紧力和爆发压力的综合作用，如果圆角过小或者结构设计不合理就容易出现疲劳断裂.[4]

根据主轴承盖的受力特点，对初始主轴承盖进行优化设计，经过多次修改，得到主轴承盖的最优方案，具体结构见图8.

图 8初始方案与优化方案对比

用同样的计算方法对该方案进行有限元分析，最终得到圆角位置高周疲劳安全因数为1.17，大于经验值1.1，满足工作要求，见图9.

图 9疲劳结果有限元分析满足要求后，对优化后的主轴承盖方案进行试验验证，经过200 h冷热冲击试验和其他可靠性试验后，第五主轴承盖未出现断裂.

4结论

（1）通过解决主轴承盖断裂问题可以看出，有限元分析可以在一定程度上指导零部件的设计方向，进而节约大量项目开发及试验验证时间和成本.

（2）在主轴承盖设计过程中，应注意出现应力集中的位置并重点进行优化.

参考文献：

[1]石亦平， 周玉蓉等. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 1422.

[2]李嘉， 赵雨东. 柴油机主轴承座的有限元强度分析[J]. 车用发动机， 2007（1）： 8485.

[3]郭威， 朱凌云. 基于整体模型的发动机主轴承壁强度分析[J]. 车用发动机， 2013（1）： 4142.

[4]杨连生. 内燃机设计[M]. 北京： 中国农业机械出版社， 1981： 358378.（编辑武晓英）第22卷 增刊22013年10月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.22 Suppl.2Oct. 2013