船用柴油机机体动态应力分析方法研究

发布时间：2017-05-27 07:07

  本文关键词：船用柴油机机体动态应力分析方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 柴油机机体是整个柴油机的骨架和基础,它在柴油机运转时承受复杂载荷,这些载荷的大小、方向随工况和曲轴转角不断变化,有些力的作用点也在不断变化。而机体的可靠性对整个柴油机的性能有着重要的影响,它基本上决定着整个柴油机的使用寿命,单纯对机体进行静态的应力分析已无法满足现阶段柴油机设计的需求,对机体进行动态应力的分析显得格外重要。 本文进行了6L16／24型柴油机机体动态应力分析方法的研究,分别从理论计算和试验测试两方面进行。主要工作及结论如下： 1)在保证计算精度与计算速度的前提下,对6L16／24型柴油机机体实体模型进行合理简化,并建立了动应力计算的有限元模型。 2)运用多体动力学分析软件ADAMS计算机体所受活塞侧推力和各档主轴承垂直分力及水平分力,作为机体加载的主要动态载荷。 3)对6L16／24型柴油机机体有限元模型加载载荷、定义位移边界条件,计算其在转速1000rpm、单缸功率90kW的工况下运转一个循环的动态应力。 4)分析动态应力计算结果,主要得出以下结论：从应力云图上看,柴油机机体高应力区主要分布在气缸套与机体的上下接触表面以及主轴承座周围且受动态载荷影响较大；在各缸发火时刻附近,此缸气缸套与机体的上下接触表面、气缸套与凸轮轴之间的薄壁以及相关的两档主轴承座周围应力达到最大值；在机体安装罩盖处拐角部位容易产生应力集中现象；柴油机飞轮附近应力值较为稳定,基本围绕一个固定值上下波动；柴油机前端箱体应力较小,仅在与机体连接处有相对明显应力。 5)在仅考虑螺栓预紧力的情况下,分别采用温度法和直接法对机体施加螺栓预紧力,从静态应力云图上可看出两种加载方法所得计算结果基本一致,在机体与轴承座侧面连接处应力较大,且越靠近中间档轴承应力越大,机体其他区域应力较不明显。 6)试验测试与计算结果对比 通过对6L16／24型柴油机机体进行动态应变的试验测试及缸内压力测试,并将测试结果与计算结果进行了对比,验证了有限元计算方法的正确性。 本文创新点主要有以下几点： 1)对于活塞侧推力的加载,将其作用位置考虑为气缸套与机体进行装配的上、下接触环面上,在这两部分表面分别建立刚性区域,用于连接表面所有节点至中心一点,将活塞侧推力加载在该点上。 2)对于气体力对柴油机机体的作用,本文主要考虑当气体力作用于气缸盖下表面时,缸盖螺栓反作用力引起的气缸套对机体在两者接触表面上所产生的作用力。采用有限元法模拟刚度试验,得到螺栓联接的相对刚度系数,从而计算缸盖螺栓动态作用在气缸套与机体接触面上的均布载荷变化曲线。 3)采用多种计算分析软件相结合的方法,充分发挥各软件的优势：在前处理部分,利用HyperMesh软件强大的前处理功能,方便准确的完成动应力分析的前处理工作；机体动态载荷的计算采用了多体动力学分析软件ADAMS,比经典计算方法更为精确的得出载荷大小；计算时采用RADIOSS求解器,进行机体显示动力学分析。
【关键词】：柴油机机体 动应力 有限元分析
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：U664.121
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题的研究目的与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 研究方案15-17
• 1.3.1 技术路线15-16
• 1.3.2 各章主要内容16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第2章 有限元分析理论18-25
• 2.1 有限元法18-20
• 2.1.1 有限元法的一般步骤18-19
• 2.1.2 有限元方法的应用范围与优点19-20
• 2.2 动力学分析20-24
• 2.2.1 动力学分析原理及方法20-23
• 2.2.2 软件平台23-24
• 2.3 本章小结24-25
• 第3章 机体动态载荷分析与求解25-35
• 3.1 研究对象及主要参数25-26
• 3.2 载荷求解的基本理论26-27
• 3.3 ADAMS求解轴承力及侧推力27-32
• 3.3.1 ADAMS多体动力学分析的基本原理27-28
• 3.3.2 ADAMS求解机体载荷的基本步骤28-30
• 3.3.3 ADAMS求解轴承力及侧推力的结果30-32
• 3.4 缸盖螺栓动态作用的求解32-34
• 3.5 本章小结34-35
• 第4章 机体动应力的有限元分析35-72
• 4.1 建立柴油机几何模型35-37
• 4.1.1 机体三维实体模型35
• 4.1.2 模型处理与简化35-36
• 4.1.3 材料属性定义36-37
• 4.2 有限元模型的建立37-38
• 4.3 轴承力及侧推力的加载38-41
• 4.3.1 轴承力的加载38
• 4.3.2 侧推力的加载38-41
• 4.3.3.缸盖螺栓动态作用的加载41
• 4.4 位移边界条件定义41-42
• 4.5 求解42-44
• 4.5.1 求解及输出选项设置42-43
• 4.5.2 求解43-44
• 4.6 结果分析44-66
• 4.6.1 曲柄转角第12°结果分析46-48
• 4.6.2 曲柄转角第114°结果分析48-49
• 4.6.3 曲柄转角第154°结果分析49-50
• 4.6.4 曲柄转角第250°结果分析50-52
• 4.6.5 曲柄转角第278°结果分析52-53
• 4.6.6 曲柄转角第372°结果分析53-54
• 4.6.7 曲柄转角第396°结果分析54-55
• 4.6.8 曲柄转角第554°结果分析55-56
• 4.6.9 曲柄转角第652°结果分析56-57
• 4.6.10 应力时间历程结果分析57-62
• 4.6.11 第五缸应力分布分析62-66
• 4.7 螺栓预紧力的计算66-71
• 4.7.1 螺栓预紧力的计算66-67
• 4.7.2 温度法施加螺栓预紧力67-69
• 4.7.3 直接法施加螺栓预紧力69-70
• 4.7.4 螺栓预紧力计算结果对比70-71
• 4.8 本章小结71-72
• 第5章 柴油机气缸压力与应变测试72-88
• 5.1 测试目的72
• 5.2 测试内容72-73
• 5.3 测试系统73-74
• 5.4 测试原理74-76
• 5.4.1 电阻应变片工作原理74-75
• 5.4.2 数据采集模块75-76
• 5.5 测点布置76-77
• 5.6 测试步骤77-78
• 5.7 测试与计算结果对比78-87
• 5.7.1 气缸压力测试与计算结果对比分析78-79
• 5.7.2 应变测试与计算结果时域对比分析79-83
• 5.7.3 应变测试与计算结果功率谱对比分析83-87
• 5.8 本章小结87-88
• 第6章 结论与展望88-91
• 6.1 结论88-90
• 6.2 展望90-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-96
• 攻读硕士学位期间所发表的论文96

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