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發(fā)動機機體是整機的骨架，發(fā)動機零件都直接或間接地安裝在機體上，因此要求機體不僅要有足夠的幾何精度，而且應(yīng)具備足夠的剛度、強度和動力學(xué)特性。某六缸車用柴油機在提高爆發(fā)壓力后要求對該機體進行主軸承座有限元分析校核和疲勞壽命分析，以進行針對性的改進設(shè)計。現(xiàn)有的機體疲勞試驗臺只能對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主軸承座其他方向上施加的力。本文中在機體疲勞試驗的基礎(chǔ)上，用有限元方法模擬試驗過程，獲取準確的疲勞計算參數(shù)。通過多體動力學(xué)獲得了在工作循環(huán)內(nèi)的各個主軸承力，進而通過有限元分析得到了機體所承受的動態(tài)應(yīng)力，結(jié)合預(yù)緊載荷作用下的準靜態(tài)應(yīng)力，預(yù)測了機體的疲勞壽命，并針對薄弱部位進行了相應(yīng)的改進設(shè)計，提高了機體的疲勞壽命。
為達到足夠工程精度的同時減少計算時間，提高計算效率，機體只在主軸承座及其周圍采用精度較高的節(jié)點四面體單元網(wǎng)格，同時忽略部分不重要的倒角，并對須重點關(guān)注的地方適當?shù)丶用芫W(wǎng)格。基于六缸機的對稱性，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)注對象。有限元網(wǎng)格模型見圖，共有472939個單元和386463個節(jié)點。為驗證該有限元模型的準確性，進行了機體自由模態(tài)試驗，同時進行了自由模態(tài)數(shù)值計算。表列出了該機體有限元分析和實測的固有頻率。由表可以看出，大部分相對誤差在5%以內(nèi)，說明有限元模型較好地模擬了實際機體的物理特性，滿足工程要求，同時也說明了之前的簡化和有限元單元選擇的合理性。
柴油機的主要參數(shù)見表，利用計算機輔助分析技術(shù)進行機械系統(tǒng)的多體動力學(xué)分析，可以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時刻的位移、速度和加速度，同時確定其所受到的作用力及其反作用力。多體動力學(xué)包括柔性體動力學(xué)和剛性體動力學(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存在時的動力學(xué)理論。在廣義坐標下，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；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，此處不再贅述。柴油機曲軸振動是三維且各方向振動相互藕合的，其彎曲振動影響主軸承載荷。軸承載荷中除軸承支撐力外，還有軸承彎矩的作用。建立多體動力學(xué)模型可有效模擬這些載荷。發(fā)動機動力學(xué)仿真模型包括彈性機體、簡易缸套、軸瓦、彈性軸系、簡易活塞連桿組和彈性主軸承座等模型。建立的動力學(xué)仿真模型如圖所示，為方便觀察軸瓦、簡易活塞連桿等部件或連接符，圖中隱藏了部分機體網(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(考慮不對中)3種模型。為降低彈性多體動力學(xué)的計算成本，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，對應(yīng)的是第1缸上止點。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)力水平為重點關(guān)注對象。
根據(jù)三維彈性動力學(xué)方程和對應(yīng)的載荷與位移邊界條件進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)計算，根據(jù)Galerkin對等效動力學(xué)方程的轉(zhuǎn)化方法。系統(tǒng)的外部激勵是根據(jù)實測的發(fā)動機示功圖得到的缸內(nèi)壓力。求解以上結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程一般有直接法和模態(tài)法兩種方法。考慮到模態(tài)法較節(jié)省資源且適用于線彈性體的應(yīng)力拉移場計算，具有足夠的計算精度，故使用模態(tài)法按照一定的時間步長求解動力學(xué)方程，計算機體的動態(tài)應(yīng)力。
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