梅加化，黃祿豐，王 輝，胡安成

（1.中船動力研究院有限公司研究開發(fā)部，上海 200120；2.安慶中船柴油機有限公司技術(shù)中心，安徽 安慶 246003）

大功率船舶中速發(fā)動機可靠性高、壽命長，生產(chǎn)批量小，重要零部件價格都很高。對于生產(chǎn)過程中偶爾出現(xiàn)的一些質(zhì)量問題，或者發(fā)動機服務期內(nèi)的修理，往往通過對零部件進行修理、匹配以解決問題。當發(fā)動機機體上一個缸蓋螺栓的螺紋孔牙處出現(xiàn)缺陷、損壞等問題，一般都是對所有缸蓋螺栓進行擴孔、加大螺紋，并單配缸蓋螺栓。這樣能保證所有螺栓的受力情況完全一致，不會對使用有任何影響，但是增加了返工成本[1-4]。缸蓋螺栓的螺紋孔牙問題往往需要通過對螺紋孔進一步擴孔并加深處理來解決，但是返工過程十分復雜，單配的螺栓成本又較高。因此，嘗試采用僅返工有問題的螺紋孔，重新設計一個單配螺栓的方式具有可行性。為滿足缸蓋螺栓的工作要求，必須使單配螺栓與其他螺栓的剛度一致。本文基于ABAQUS的優(yōu)化計算，設計剛度完全一致的缸蓋螺栓，并通過螺栓總成分析和現(xiàn)場測量試驗，證明其滿足設計指標，達到實際工作要求。

1 缸蓋螺栓的匹配設計

船舶大功率發(fā)動機為每缸一個缸蓋結(jié)構(gòu)，采用4個相同的液壓螺栓預緊，均勻分布在缸蓋四角上，使各個螺栓的受力一致。根據(jù)試驗樣機機體螺栓返工后情況，將缸蓋螺栓總長加大35 mm，螺紋由原來的M45×3變?yōu)镸48×3，并對其進行設計優(yōu)化，以保證與原螺栓剛度一致。為了節(jié)約計算時間，提高工作效率，對單配螺栓結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化計算時，采用單配螺栓模型與原螺栓模型分別進行計算對比，找出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

由于單配螺栓更長，只能通過增加局部螺栓半徑、長度，并減小細頸部位長度的方式來達到與原螺栓相同的剛度值，如圖1所示。

圖1 單配螺栓模型

應用ABAQUS軟件對原螺栓與單配螺栓進行有限元分析，預緊力均為993 kN，改變單配螺栓底部螺紋長度，其與螺栓伸長量、剛度值如表1所示。

通過單獨螺栓模型的仿真計算，可以看出，采用最后一組結(jié)構(gòu)，將尾部直徑Φ48 mm段的尺寸加長至160 mm，與原始螺栓剛度剛好一致。因此，采用該結(jié)構(gòu)螺栓作為最終單配設計的螺栓，滿足設計需求，效果較好。

2 缸蓋螺栓總成仿真分析

2.1 有限元仿真模型

雖然通過缸蓋螺栓單獨模型的對比計算，使得設計的單配螺栓與原始螺栓剛度一致，但是螺栓的實際受力過程較為復雜，因此，需要通過缸蓋螺栓總成結(jié)構(gòu)的仿真分析來確定裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)位置、工作載荷等的影響。將前面已確定最終結(jié)構(gòu)的單配螺栓模型裝配在缸蓋總成上，進行缸蓋螺栓總成分析，其中缸蓋、機體、缸套等采用簡易模型，但缸蓋螺栓的安裝尺寸、位置保持與實際完全一致，如圖2所示。

圖2 缸蓋螺栓總成模型

缸蓋螺栓總成仿真模型的材料參數(shù)如表2所示，缸蓋為QT450，機體為QT400，缸套為特殊鑄鐵，缸蓋螺栓和螺母均為合金鋼。

表2 缸蓋螺栓總成材料參數(shù)

考慮到總成結(jié)構(gòu)較為復雜，接觸較多，故采用四面體單元，其中螺栓采用C3D10M二階單元，其余零件采用C3D4一階單元。單元總數(shù)131 139，載荷包括：螺栓預緊力993 kN、發(fā)動機暴壓20 MPa。所有螺紋配合處采用綁定約束，接觸面摩擦系數(shù)為0.15，采用小滑移接觸對。計算工況分為預緊力工況、預緊力+20 MPa燃燒暴壓工況[5-8]。

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

（1）預緊力工況下的結(jié)果

在預緊力工況下，缸蓋螺栓總成軸向的應變云圖如圖3所示，最大的變形發(fā)生在螺栓上，其軸向的最大位移為3.256 mm。缸蓋、機體等被連接件壓縮，最大壓縮量為0.375 mm。

圖3 缸蓋螺栓總成螺栓軸向應變云圖

由于螺栓預緊力是基于ABAQUS中螺栓載荷定義加載的[6]，因此，螺栓的實際伸長量為螺栓最大位移減去被連接件壓縮量。其中缸蓋螺栓軸向位移應變云圖如圖4所示，單配螺栓與其中的一個原始螺栓僅差0.025 mm。

圖4 缸蓋螺栓軸向應變云圖。

單配的缸蓋螺栓與原始螺栓的位移量、被連接件接觸處壓縮量如表3所示。單配螺栓與原始螺栓的伸長量基本一致，差異在0.5%以內(nèi)。與單獨螺栓模型計算的伸長量2.867 mm相比，也僅差0.11%，進一步證實了單獨螺栓簡易模型計算的合理性。

表3 缸蓋螺栓位移量、伸長量

（2）預緊力+燃燒暴壓工況下的結(jié)果

當螺栓在受到預緊力和燃燒暴壓載荷的工況下，其螺栓會進一步伸長，被連接件壓縮量會減小，但螺栓應力會進一步加大，如圖5所示。雖然單配螺栓與原始螺栓之間的剛度差異較小，但是在結(jié)構(gòu)上還有一定的不同。如果單配螺栓與原始螺栓在受到工作載荷后變化差異較大，使4個螺栓受力不均，個別受力較大，在交變載荷燃燒暴壓的長期作用下，最終可能造成缸蓋螺栓的疲勞損壞。因此，研究單配螺栓和原始螺栓在燃燒暴壓下的差異，也十分重要。

圖5 預緊力+燃燒工況下總成應力應變云圖。

缸蓋螺栓在預緊力工況、預緊力+燃燒暴壓兩種工況下的伸長量增加值和應力增加值，如表4所示。

表4 缸蓋螺栓在兩種工況下變化

通過缸蓋螺栓在兩種工況下的伸長量和應力變化可以看出，當發(fā)動機工作后，缸蓋螺栓受到燃燒暴壓作用，螺栓伸長量增加了0.073 mm，應力增加了15.4 MPa。單配螺栓與原始螺栓伸長量增加值差異在0.3%以內(nèi)；應力增加值差異更小，在0.1%以內(nèi)。因此，發(fā)動機工作后單配螺栓與原始螺栓差異很小，滿足使用要求。燃燒暴壓20 MPa對應的集中力為1 608 kN，遠大于單個螺栓的預緊力993 kN，但是對螺栓伸長量和應力的增加值影響較小。

3 測量與試驗驗證

由于船舶大功率發(fā)動機零部件尺寸很大，單獨試驗成本高，也沒有必要。因此通過試驗之前對缸蓋螺栓進行安裝尺寸測量，在發(fā)動機試驗完成后再進行測量和觀察，以證明螺栓設計分析的正確性。在裝配缸蓋螺栓時，分別測量預緊力擰緊前、擰緊后螺栓在缸蓋上部的長度，以得到螺栓實際伸長量，如表5所示。

表5 缸蓋螺栓裝配過程測量

通過螺栓裝配時的測量數(shù)據(jù)可以看出，螺栓伸長量與計算結(jié)果差異在0.4%以內(nèi)，單配螺栓與原始螺栓伸長量差異在0.5%以內(nèi)。在發(fā)動機樣機運行10個小時后，將單配螺栓和其他3個原始螺栓重新松開后預緊，未發(fā)現(xiàn)任何螺栓松動現(xiàn)象。在發(fā)動機運行20個小時后，再次松開預緊，未發(fā)現(xiàn)任何異常。在發(fā)動機運行60個小時后，再次松開預緊，也未發(fā)現(xiàn)任何異常。經(jīng)過發(fā)動機的性能、耐久試驗后，拆機檢查，同樣未發(fā)現(xiàn)該缸螺栓有任何異常。因此，在對缸蓋螺栓的測量與試驗驗證后，更加證實了該單配螺栓設計是合理的，完全滿足實際使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)對大功率發(fā)動機缸蓋螺栓設計仿真分析，并結(jié)合螺栓的測量與試驗結(jié)果驗證，得到以下結(jié)論：（1）通過對單獨螺栓模型的對比計算來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，設計得到了與原始螺栓剛度一致的單配螺栓，完全滿足實際使用要求；（2）單獨螺栓簡易模型的伸長量計算結(jié)果與螺栓總成計算的結(jié)果基本一致，說明裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)位置以及接觸等實際因素對螺栓伸長量影響較??；（3）通過缸蓋螺栓總成的仿真分析可以看出，工作載荷對螺栓產(chǎn)生的附加應力值較小，遠小于螺栓預緊力產(chǎn)生的應力值；（4）僅對缸蓋一個螺栓進行單獨的設計匹配，同樣可以達到修配缸蓋所有螺栓的效果。這樣的設計匹配與計算方法值得推廣，不僅有效簡化了過程，還節(jié)約了成本。