某气缸体的计算模型与边界条件处理

某柴油机的爆发压力达到16.5MPa，气缸体与曲轴箱上承受着螺栓预紧力与爆发压力的作用，为了了解气缸体与曲轴箱在这两种状态下的应力分布，在这里计算了两种状态——螺栓预紧力与最大爆发压力作用状态。

某气缸体、缸盖与缸盖螺栓的材料参数见下表1

表1计算模型采用的材料参数

HT280的疲劳强度按120MPa，QT-600的疲劳强度按220MPa（以最小疲劳强度计算）。

机体边界情况，计算时需要确定出缸盖与缸盖螺栓、缸盖与缸垫以及机体之间的受力关系，以便准确地模拟出机体与曲轴箱的实际工作情况。对整个有限元模型，根据实际工作情况，在机体和曲轴箱端面的节点上施加对称约束边界，在离模型考察较远的位置设置固定约束，以限制整个计算模型刚体位移。

螺栓预紧力与爆发压力，通过螺栓预紧力加载方法模拟出主轴承螺栓、缸盖螺栓与副螺栓的作用力，螺栓的预紧力大小可以根据螺栓的强度等级规格大小计算出来。主轴承螺栓型号为M18的10.9级普通螺纹螺栓，最小直径为Φ14.5，每个螺栓预紧力为：155194N，该螺栓的最小直径小于螺纹的直径，所以按最小直径计算；缸盖螺栓型号为M14的10.9级普通螺纹螺栓，每个螺栓预紧力为：108100 N；副螺栓型号为M12的10.9级普通螺纹螺栓，每个螺栓预紧力为：82814 N，10.9级普通螺纹螺栓的屈服极限非比例伸长应力σ0. 2为940MPa。D12柴油机的爆发压力为16.5MPa，以压力形式施加在模型上。计算模型见图1所示。

图1 气缸体总成计算模型

计算结果

计算结果见图2-6。

图 2 气缸体爆发载荷作用下第 1 主应力分布云图

图 3 气缸体爆发载荷作用下第 1 主应力分布云图

图 4 气缸体爆发载荷作用下第 1 主应力分布云图

图 5 曲轴箱爆发载荷作用下的第一主应力分布云图

图 6 曲轴箱爆发载荷作用下的第一主应力分布云图

安全系数计算

图7 曲轴箱修改方案

表2 曲轴箱相应位置安全系数对比

结束语

从机体总成的计算结果来看，机体上装配应力与工作应力都比较小，安全系数较大，最小为 1.72，大于 1.5的要求。曲轴箱装配应力与工作应力相对较大，安全系数最小为 2.25，疲劳强度安全系数较大，如果把曲轴箱的材料改为 HT280，材料的疲劳强度将降低 45%，修改曲轴箱材料后，曲轴箱上最小安全系数为 1.23，安全系数稍微偏低。

曲轴箱修改后，曲轴箱上加强筋处的安全系数可以提高到 2.27 以上，能够达到对于 1.5 的要求，曲轴箱上安全系数最低的位置在主轴承圆角处，最大能达到 1.99，方案 4 为最好。曲轴箱修改后，曲轴箱上应力分布更均匀，使材料的强度得到充分利用。

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资料来源：达索官方