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發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體是整機(jī)的骨架，發(fā)動(dòng)機(jī)零件都直接或間接地安裝在機(jī)體上，因此要求機(jī)體不僅要有足夠的幾何精度，而且應(yīng)具備足夠的剛度、強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)特性。某六缸車用柴油機(jī)在提高爆發(fā)壓力后要求對(duì)該機(jī)體進(jìn)行主軸承座有限元分析校核和疲勞壽命分析，以進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)有的機(jī)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)只能對(duì)主軸承施加豎直方向上的力來模擬爆發(fā)壓力，而忽略了活塞桿抽軸在工作過程中對(duì)主軸承座其他方向上施加的力。本文中在機(jī)體疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用有限元方法模擬試驗(yàn)過程，獲取準(zhǔn)確的疲勞計(jì)算參數(shù)。通過多體動(dòng)力學(xué)獲得了在工作循環(huán)內(nèi)的各個(gè)主軸承力，進(jìn)而通過有限元分析得到了機(jī)體所承受的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，結(jié)合預(yù)緊載荷作用下的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力，預(yù)測(cè)了機(jī)體的疲勞壽命，并針對(duì)薄弱部位進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了機(jī)體的疲勞壽命。
為達(dá)到足夠工程精度的同時(shí)減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，機(jī)體只在主軸承座及其周圍采用精度較高的節(jié)點(diǎn)四面體單元網(wǎng)格，同時(shí)忽略部分不重要的倒角，并對(duì)須重點(diǎn)關(guān)注的地方適當(dāng)?shù)丶用芫W(wǎng)格�；诹讬C(jī)的對(duì)稱性，在靠近飛輪端的4,5,6缸模型采用1階四面體，靠近皮帶輪端的1,2,3缸模型采用2階四面體并作為分析關(guān)注對(duì)象。有限元網(wǎng)格模型見圖，共有472939個(gè)單元和386463個(gè)節(jié)點(diǎn)。為驗(yàn)證該有限元模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了機(jī)體自由模態(tài)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了自由模態(tài)數(shù)值計(jì)算。表列出了該機(jī)體有限元分析和實(shí)測(cè)的固有頻率。由表可以看出，大部分相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，說明有限元模型較好地模擬了實(shí)際機(jī)體的物理特性，滿足工程要求，同時(shí)也說明了之前的簡(jiǎn)化和有限元單元選擇的合理性。
柴油機(jī)的主要參數(shù)見表，利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)分析，可以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位移、速度和加速度，同時(shí)確定其所受到的作用力及其反作用力。多體動(dòng)力學(xué)包括柔性體動(dòng)力學(xué)和剛性體動(dòng)力學(xué)。其中前者建立在后者之上，是解決部件大尺度、體位移和小尺度線性彈性變形同時(shí)存在時(shí)的動(dòng)力學(xué)理論。在廣義坐標(biāo)下，基于拉格朗日方程的控制微分方程的最終形式為式中省為廣義坐標(biāo)；M為柔性體的質(zhì)量矩陣；K為廣義剛度矩陣；fr為廣義質(zhì)量力；D為模態(tài)阻尼矩陣。具體內(nèi)容參見文獻(xiàn)，此處不再贅述。柴油機(jī)曲軸振動(dòng)是三維且各方向振動(dòng)相互藕合的，其彎曲振動(dòng)影響主軸承載荷。軸承載荷中除軸承支撐力外，還有軸承彎矩的作用。建立多體動(dòng)力學(xué)模型可有效模擬這些載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型包括彈性機(jī)體、簡(jiǎn)易缸套、軸瓦、彈性軸系、簡(jiǎn)易活塞連桿組和彈性主軸承座等模型。建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖所示，為方便觀察軸瓦、簡(jiǎn)易活塞連桿等部件或連接符，圖中隱藏了部分機(jī)體網(wǎng)格模型。軸承可采用非線性彈簧阻尼單元、剛體液力軸承和彈性藕合液力軸承(考慮不對(duì)中)3種模型。為降低彈性多體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算成本，本文中采用非線性彈簧阻尼單元模擬主軸承。通過設(shè)置軸瓦寬度上的彈簧數(shù)量的比例分布，可模擬軸頸不對(duì)中和軸承彎矩。而剛體軸承不考慮結(jié)構(gòu)彈性僅考慮軸頸發(fā)生傾斜的情況。多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果見圖。圖顯示了最大爆發(fā)壓力工況(1000r/min)各主軸承座受力圖，對(duì)應(yīng)的是第1缸上止點(diǎn)。第1主軸承座是離皮帶輪端最近的主軸承座，第7主軸承座是離飛輪端最近的主軸承座。Y方向是水平且垂直于曲軸軸向的方向，Z方向是豎直向上的方向。由圖可以看到，在Y方向上受力最大的是第6主軸承座，而在Z方向上受力最大的是第2主軸承座。其中由于爆發(fā)壓力為主軸承座受力的主要因素，故Z方向受力數(shù)值比Y方向上大。因此，第2主軸承座應(yīng)力水平為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。
根據(jù)三維彈性動(dòng)力學(xué)方程和對(duì)應(yīng)的載荷與位移邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)計(jì)算，根據(jù)Galerkin對(duì)等效動(dòng)力學(xué)方程的轉(zhuǎn)化方法。系統(tǒng)的外部激勵(lì)是根據(jù)實(shí)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖得到的缸內(nèi)壓力。求解以上結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程一般有直接法和模態(tài)法兩種方法�？紤]到模態(tài)法較節(jié)省資源且適用于線彈性體的應(yīng)力拉移場(chǎng)計(jì)算，具有足夠的計(jì)算精度，故使用模態(tài)法按照一定的時(shí)間步長(zhǎng)求解動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算機(jī)體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。
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