丁先威，趙建華，張瑞波

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033）

主軸承座長短螺栓連接結(jié)構(gòu)強度分析研究

丁先威，趙建華，張瑞波

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033）

柴油機升功率的大幅度提高對強載度的要求不斷提高，螺栓預緊力加載下模擬計算研究愈發(fā)顯得重要與必要。利用有限元軟件ABAQUS強大的求解非線性問題的能力和模擬復雜可靠性的優(yōu)勢，對某型單缸柴油機機體分別進行長短螺栓連接建模模擬，對比分析當長螺栓截去一部分時，機體的模態(tài)頻率、振型和各主要部件的應力變化，探討兩種不同連接方式對主軸承結(jié)構(gòu)強度的影響。

螺栓預緊力；ABAQUS；長短螺栓；模態(tài)；振型；應力

伴隨著柴油機升功率的大幅度提高，其對強載度的要求也不斷提高，因此，柴油機機體和主軸承座的承載要求和可靠性越來越受到重視。張瑞波等對螺栓預緊力的單缸機體及主軸結(jié)構(gòu)強度進行了建模分析研究。

螺栓連接作為一種廣泛應用于機械、汽車、電氣、航空等工程領(lǐng)域的連接方式，在不同的外界激勵下通常會表現(xiàn)出一定的非線性，其連接的動力學特性將直接影響到結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境下的響應。

柴油機機械系統(tǒng)由多個零件通過各種連接方式聯(lián)結(jié)起來，其性能分析除了重要零部件單獨的性能分析以外，零部件之間的連接特性也是不可忽略的重要方面。

本文基于有限元軟件ABAQUS，對某型柴油機裝配的長螺栓截短，由于模型本身的氣缸體和曲軸箱本身已經(jīng)用tie約束，故截短螺栓后可以正常提交分析，比較短螺栓連接下，柴油機主要部位的模態(tài)頻率與應力狀態(tài)。

1 柴油機連結(jié)為短螺栓的有限元建模

利用有限元軟件ABAQUS對某型柴油機單缸機，其基本參數(shù)：缸徑280mm，沖程330mm，對其長螺栓進行截斷，在不改變其他連接與邊界條件下，將長螺栓，（如圖1所示），由其長度755mm截短至522.5mm，如圖2所示。

運用ABAQUS有限元軟件，對該原有裝配模型進行截短后的短螺栓裝配，其中的氣缸體、主軸承蓋保持原有tie合成方式不變，裝配后的模型如圖3所示。

2 模態(tài)分析

由張瑞波等的模態(tài)分析可知，仿真模態(tài)分析過程中的螺栓預緊力是必須考慮在內(nèi)的因素。在有限元軟件ABAQUS中統(tǒng)一設(shè)定長短螺栓預緊力為1250kN，進行分析模擬計算，長螺栓的頻率A與短螺栓模態(tài)頻率B如表1所示。

圖1 長螺栓模型

圖2 截短后的短螺栓模型

對比預緊力下長短螺栓頻率，柴油機裝配為短螺栓后，其前四階的模態(tài)頻率和振型區(qū)別逐漸增大，特別是第一、第四階模態(tài)頻率顯著提升。但也可以發(fā)現(xiàn)整個增加過程呈現(xiàn)出非線性、無規(guī)律，這是由于影響模態(tài)頻率的因素很多，其機理更是十分復雜，目前尚無一個十分通用的有效方法解決這個問題。

3 帶螺栓預緊力連接為短螺栓時應力的計算與分析

圖3 短螺栓有限元裝配模型

表1 預緊力下長短螺栓約束模態(tài)頻率對比

考慮軸瓦接觸的情況下進行了裝配應力計算分析，裝配應力計算模型中包含氣缸體、曲軸箱、主軸承蓋、連接螺栓、軸瓦（上下軸瓦采用tie方式連接）。螺栓與氣缸體、氣缸體與曲軸箱之間采用tie方式約束，螺栓與主軸承蓋、主軸承蓋與曲軸箱、軸瓦與主軸承蓋、機體之間定義接觸，加載螺栓預緊力1250kN后，主軸承蓋與螺栓接觸部位的應力達到300MPa，曲軸箱應力達到150MPa，螺栓桿部應力達到800MPa，螺紋與螺桿過度區(qū)域面積達到950MPa（此處建模過程中去除倒角）。

較考慮螺栓預緊力時長螺栓下的應力與軸承孔變形，短螺栓連接下的整機應力、主軸承、曲軸箱和短螺栓等局部應力都變大了，且軸承孔變形情況十分嚴重，在實際短螺栓連接情況下，應適當減小其螺栓預緊力，以防造成損壞。這也說明在日常使用過程中，螺栓等的裝配也是重要的，不符合預緊力等的安裝條件的安裝，往往會對設(shè)備的正常使用、壽命等產(chǎn)生難以預估的影響。

4 結(jié)語

（1）短螺栓連接對柴油機振型產(chǎn)生了較大改變，低階振型頻率特別是第一階由110.6Hz上升到207.2Hz，而振型頻率對柴油機的振動有直接影響，這就提醒在柴油機的設(shè)計要充分考慮諸如柴油機長短連接對共振頻率的影響，使其常用工況避免在低階模態(tài)頻率區(qū)。

（2）本次計算模擬中的短螺栓連接對機體、主軸承蓋、曲軸箱等主要零部件局部應力增大，尤其是軸承口變形嚴重。這啟示我們對大功率，惡劣環(huán)境及特殊工況下柴油機的零部件進行設(shè)計優(yōu)化，應當先嘗試通過模擬計算對各零部件優(yōu)化設(shè)計比較，提高各主要零部件性能與可靠性，來達到機體整體的優(yōu)化設(shè)計。

（3）通過運用ABAQUS有限元仿真建模，比較了考慮螺栓預緊力下某型柴油機的機體模型模態(tài)振型與應力，通過對比，分析了短螺栓造成的影響，對重要機械零部件的設(shè)計優(yōu)化具有指導意義。同時，由于仿真建模本身具有一定的局限性，實際問題千差萬別，對于此類問題，有條件的情況下，應采用試驗進行論證，如果能運用大量的試驗數(shù)據(jù)對仿真的結(jié)果進行對比分析，在此基礎(chǔ)上減少誤差、優(yōu)化仿真方法，對實際工程應用會產(chǎn)生更大的價值。

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