大功率柴油机组合式连杆强度分析方法研究

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组合式连杆是大功率低速船用柴油机的核心部件之一,其安全稳定性对柴油机的正常工作具有重要意义。组合式连杆主要的作用是将气缸活塞的往复力转化为实现曲轴旋转的作用力,在工作时受到周期交替变化的拉力和压力作用。大功率船用柴油机连杆尺寸大、造价高,重复破坏试验所需要的费用昂贵,当前对柴油机连杆强度进行研究的主要方法是仿真计算。以往的研究主要利用单一的有限元分析方案对连杆进行仿真分析。每种方案的处理方式不尽相同,不同方案分析所得到的结果没有进行对比,难以体现不同方案的优点与不足。基于不同的有限元分析方法对组合式连杆的强度展开计算并且比较得出较优的分析方案,可以为组合式连杆强度分析提供依据,对于提高组合式连杆强度计算效率、保证组合式连杆强度计算的准确性具有重要意义。另一方面,组合式连杆的连接关系、边界条件等复杂性对结果的影响规律,目前仍缺少相关依据。对连杆的相关参数进行量化分析,总结不同参数值的影响规律,对优化连杆的结构性能、保证柴油机工作的安全稳定性具有参考意义。本文以某大功率船用低速柴油机组合式连杆为研究对象,基于ABAQUS有限元分析软件采用不同的有限元方案对其进行强度计算,对比分析不同方案对结果的影响,同时,探究组合式连杆不同装配参数对强度相关的影响规律。首先,基于接触模型对组合式连杆强度进行研究。根据柴油机曲柄连杆机构的相关参数,分析计算得出柴油机工作过程中不同曲柄转角下连杆载荷的变化曲线。根据连杆载荷变化曲线,提取危险工况(即连杆受到最大拉力以及受到最大压力)下的载荷值大小。同时,根据组合式连杆的实际尺寸,建立连杆体及相邻构件的三维模型,为组合式连杆的研究提供基础。接触有限元模型的边界采用连杆实际工作状况进行模拟,考虑不同构件之间的接触关系,采用混合网格单元类型并对关键部位进行细致的网格划分,得到相对精细的有限元接触分析结果并对组合式连杆进行疲劳强度校核。其次,探究简化模型方案对强度分析结果的影响。分别采用接触子模型、连续体模型、连杆小头子模型的研究方案对连杆的强度进行分析,得到不同方案的计算结果。采用提取参考点应力值的方式,将接触模型的计算应力值与三种简化模型的计算应力值同时进行对比。四种方法计算结果的对比,可以探究计算过程中采用接触与非接触模型以及采用整体模型与子模型对计算结果的影响。最后在模型方法比较研究的基础上,建立参数分析的计算模型,探究装配参数对连杆强度的影响规律。本文研究的装配参数是小头端衬套过盈量和大头端两轴瓦盖之间连接螺栓的预紧力。建立研究连杆小头衬套过盈量的简化模型并验证连杆小头过盈量的简化研究方法的可行性,接着利用简化方案计算不同衬套过盈量下小头端的应力结果,对结果进行对比,分析衬套过盈量对组合式连杆小头端强度的影响规律。考虑轴瓦盖之间的螺栓预紧力对大头端应力结果影响显著,建立研究螺栓预紧力的有限元模型并验证方案分析的可行性,利用研究模型计算不同螺栓预紧力值下轴瓦盖的应力及轴瓦盖间贴合面压力结果。对结果进行对比,分析轴瓦盖间连接螺栓不同预紧力值对组合式连杆轴瓦盖应力以及贴合面的影响规律。研究结果可以为大功率低速船用柴油机组合式连杆强度计算以及装配参数研究提供方法上的参考。
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