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1、 船用柴油机配气机构组件动态强度分析及寿命计算 李香梅摘要：配气机构作为柴油机的两大机构之一，其组件的工作条件比较恶劣。本文以TBD234V6型柴油机作为动态强度和寿命计算方法的验证对象，基于多体动力学软件ADAMS/Views和疲劳寿命分析软件MSC.Fatigue，对配气机构中推杆、摇臂、气门等建立刚柔耦合多体动力学模型，进行动态强度和寿命计算，并作出相应判断。关键词：配气机构；强度；寿命：U664.121 ：ACalculation on Dynamic Strength and Life of Valve Train for Marine Diesel EngineLI Xiangme
2、i（China Maritime Police Academy， Ningbo 315801）Abstract： Valve train is one of the two diesel engine frameworks and the working condition of it is very poor. This paper establishes the dynamic models of push rod， rocker arm and valve of valve train of a diesel engine TBD234V6 with the software ADAMS
3、/Views and MSC. to calculate the dynamic strength and life of them. The results indicate that the dynamics performance of the valve train meets the needs of diesel engines.Keywords： Valve train； Strength， Life1 引言機械零件的破坏有静强度破坏与动态强度破坏两种：静强度破坏是由于静载荷使得零件的危险截面上应力大于其抗拉强度导致断裂失效，或大于屈服点产生过大残余变形导致最终失效；动强度破坏的
4、一种典型形式是疲劳破坏，是由于零件局部应力最大处在循环应力作用下形成裂纹，然后逐渐扩大成宏观裂纹，最终导致断裂。如何消除这种现象的出现，确保设备质量和提高寿命，采用动态强度和寿命计算是其中的主要技术手段。本文以TBD234V6型柴油机作为验证对象，进行初步的探索和总结。2 结构强度分析及寿命计算方法2.1动态强度分析方法基于多体动力学软件ADAMS的结构强度计算，是在建立的刚柔耦合多体动力学模型的基础上进行仿真计算，计算出柔性体各个节点的应力值，借助于ADAMS. Post Processor后处理模块中的动画显示工具和Durability工具，显示柔性体应力云图和各个节点的应力时间历程曲线。
5、结构动态强度计算流程如图1所示。2.2疲劳寿命计算方法基于多体动力学软件ADAMS/Views和疲劳寿命分析软件MSC.Fatigue的结构疲劳寿命计算方法，不仅能够快速、准确的计算出结构的疲劳位置和寿命长短，而且能够获得结构的寿命云图，直观的反映结构的寿命分布，且能够快速找到结构的危险点。运用MSC. Fatigue软件，根据S-N曲线进行全寿命分析，是最传统的全寿命分析法，它以材料或零件的应力为基础，用鱼流循环计数法和Palmgren-Miner线性累计损伤理论进行全寿命分析。全寿命（S-N）分析选择诸如平均应力修正方法和置信参数等不同的分析参数，可以应用材料或零件的S-N曲线。这种方法能
6、够预测有较大损伤或破坏为止的总寿命，对材料各部位的损伤度、剩余寿命进行评价。疲劳寿命计算流程如图2所示。3 配气机构结构强度分析和寿命计算3.1 动力学模型的建立本文将配气机构中推杆、气门以及摇臂做柔性化处理，建立柴油机刚柔耦合多体动力学模型。运用Hypermesh软件将需要柔性化的实体离散成比较规则的细小网格，以BDF格式导入到有限元分析软件Patran中进行前处理，包括定义材料属性、单元属性、外部连接点、求解参数等，然后提交Nastran计算器进行计算，获得包含模态信息的模态中性文件。3.2推杆强度计算和疲劳寿命分析（1） 推杆强度计算推杆处于挺柱和摇臂之间，其功能是将挺柱传来的运动和作用
7、力传给摇臂。挺杆是细长杆，传递的力很大容易产生弯曲，同时柴油机工作时推杆受到周期性变化的力作用容易产生疲劳。图3是推杆的应力云图，其应力最大值出现在推杆的中间，越靠近边缘的应力值越小，这是因为推杆工作时推杆两端受力使得推杆产生弯曲，挺杆中间应变最大，应力也最大，其最大值位于节点5446处，。图4是节点5446处的应力时间曲线，图中应力最大值出现在0.6397s，气门处于开启时刻。从整个过程来看，每一个工作循环，节点5446应力最大值都出现在一个相对固定的时间。图5是一个循环周期节点5446应力时间曲线与气门升程曲线，气门升程最大时，节点5446应力值也为最大。这是因为气门升程最大时推杆弯曲变形
8、最大，故应力最大。这一结果与实际相符，计算结果可靠。（2）推杆疲劳寿命分析结构或材料受到周期性的载荷作用，即使承受的应力没有超过材料的强度极限，结构或材料也可能会失效。推杆经受着典型的交变载荷的作用，容易出现疲劳破坏。本文采用多体动力学软件ADAMS和MSC.Fatigue，对推杆进行寿命计算，获得挺杆的疲劳寿命云图，如图6所示。图中推杆寿命最短位置出现在中间位置附近，这是由于该位置挺杆变形较大、应力较大的缘故。推杆最小循环次数为 ，以柴油机额定工况计算挺杆至少能安全工作5.1107小时，所以在柴油机工作过程中，配气机构推杆不会出现疲劳失效。endprint3.3摇臂强度计算与疲劳寿命分析（1
9、） 摇臂强度计算摇臂作为配气机构中的重要组成部分，它将推杆和凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启和关闭。摇臂在摆动过程中承受很大的弯矩，因此需要有足够的强度和刚度。随着柴油机的工作过程，摇臂承受周期性变化的作用力，因此摇臂强度与寿命值得关注。图7为摇臂应力最大时应力云图，摇臂最大应力位于长臂臂身处，这是由于摇臂工作过程中短臂端受到推杆的推力、长臂端受到氣门弹簧的反推力，使得长臂端弯曲变形较大所致，应力最大处节点号为15098。图8为柴油机起动至稳定工况整个过程中15098号节点应力时间曲线，图中最大应力出现在“模拟”起动过程中。图9为稳定工况一个周期最大应力对应节点应力时间曲线，图
10、中摇臂最大应力出现在气门开启时刻，也就是说气门开启时刻的冲击对摇臂的影响最大。（2） 摇臂疲劳寿命分析基于建立的柴油机整机刚柔耦合多体动力学模型，利用Fatigue软件对摇臂进行疲劳寿命计算。图10为摇臂寿命云图，摇臂寿命较小位置出现在摇臂的长短臂身处，这是由于摇臂摆动过程中承受较大的弯矩造成的，故在摇臂臂身设计中应尽量采用圆弧过度。由图可知，摇臂寿命最短处寿命为 次循环，按照柴油机额定工况，一个循环的时间，摇臂最短寿命为 小时。3.4 气门强度计算与疲劳寿命分析（1）气门强度计算本文忽略温度对气门热应力的影响，仅从机械应力的角度对气门进行强度计算。图11为排气门应力最大时应力云图，其最大应力
11、位于气门杆身2976号节点处。图12为柴油机起动至转速稳定排气门应力最大节点、应力时间历程与进气门升程曲线。由图可知，气门杆应力随着气门运动周期性变化，在气门开启瞬间气门杆应力最大，这是因为在气门开启时，摇臂对气门的冲击力和气门弹簧反力的抑制共同作用的结果。图13为排气门最大应力节点、稳态下一个周期内应力时间历程曲线和气门升程曲线。图中应力时间历程曲线振荡强烈，在气门开启与关闭阶段应力较大，这是由于在气门开启与关闭阶段，气门受到摇臂和气门座的冲击力，同时推杆、摇臂、气门柔性效应共同作用使得应力波动。图11 气门应力云图图12 气门应力曲线（启动到稳态）图13 气门应力与气门升程曲线（2） 气门
12、疲劳寿命分析进、排气门受到周期性变化的弹簧力以及运动惯性力的作用，图14是气门疲劳寿命计算云图。由图可知，排气门寿命较短的位置出现在气门杆身中间位置，这是由于摇臂给气门的作用力和气门弹簧作用力共同作用的结果，气门寿命为 次循环，以柴油机工作在额定工况下计算，排气门工作寿命为 小时，因此该气门不会因为机械应力出现疲劳失效的故障。图17气门寿命云图4 小结本文以建立柴油机整机刚柔混合多体动力学模型为基础，运用多体动力学软件ADAMS和有限元软件MSC.Patran以及疲劳寿命分析软件MSC.Fatigue，对柴油机配气机构推杆、摇臂、气门进行动态强度分析和疲劳寿命计算。由计算结果可知，该计算软件完
13、全适用推杆、摇臂、气门等强度分析和寿命计算，满足工作要求。基于多体动力学模型，结合有限元和疲劳寿命分析软件对柴油机构件进行动态强度分析和寿命计算，可以方便得到构件的动态应力分布、最大应力节点应力的变化、寿命云图等，可以为结构的设计、改进以及设备的使用与维护提供指导依据。参考文献1 周传月，郑红霞，罗慧强，等.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例M.北京：科学出版社，2005.2 武秀根，郑百林，杨青.柴油机曲轴的多柔体动力学仿真与疲劳分析J.计算机辅助工程，2007.3 吴佳芸.发动机配气机构多体耦合系统动力学研究D.重庆大学，2007.4 高浩鹏.柴油机动力传递组件综合强度分析D.武汉：海军工程大学，2009.endprint -全文完-
