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發(fā)動機運行期間，主軸承座承受劇烈的載荷，這些載荷包括：螺栓預(yù)緊載荷、軸瓦過盈載荷、曲軸動載荷以及熱負(fù)荷等。主軸承座的評價內(nèi)容也較復(fù)雜，包括：各工況下的變形情況、各工況下的應(yīng)力情況、滑移表面的滑動情況等。因此，在內(nèi)燃機設(shè)計階段，需對主軸承座進行多工況分析，評估結(jié)構(gòu)強度、變形等指標(biāo)。本文通過接觸對、TIE及MPC三種形式模擬零件之間的相互作用建立了主軸承有限元分析模型，進行了發(fā)動機主軸承座的CAE分析。
考慮缸體與框架之間的彈性接觸，采用三維小滑移彈性接觸模型模擬彈性接觸問題可采用兩種模型分析曲軸動壓工況：(1)建立曲軸系統(tǒng)和主軸承座的有限元子機構(gòu)模型，曲軸與軸瓦之間可以取流體動力潤滑或非線性彈簧模型，模擬系統(tǒng)的瞬態(tài)動力學(xué)過程，最后，取出主軸承座的最大應(yīng)力狀態(tài)。(2)直接施加最高燃燒壓力，通過靜力學(xué)求解得到軸承座的應(yīng)力分布，分析中不考慮潤滑油膜的作用，最高燃燒壓力通過發(fā)動機熱力學(xué)模擬或者經(jīng)驗確定。本文采用第2種分析模型，曲軸與軸瓦之間取小滑移彈性接觸模型。
采用彈性接觸或MPC模擬螺栓與部件、軸瓦與部件之間的作用關(guān)系�？刹捎脙煞N方法分析熱負(fù)荷工況：(1)采用k-ε湍流模型計算冷卻水套與壁面、燃?xì)馀c進排氣道壁面等的對流換熱邊界條件等，然后模擬整個發(fā)動機的溫度場和應(yīng)力場。(2)簡化分析過程，模擬發(fā)動機從室溫升至115°C的熱負(fù)荷情況，溫度場假設(shè)成均勻場。對于熱物性不同的零件，如缸體與框架采用了不同的材料，施加熱負(fù)荷后，在結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生較大的應(yīng)力，如果零件的熱物性相同，則沒有大應(yīng)力值產(chǎn)生。另外，由于溫度場為穩(wěn)態(tài)溫度場，且不考慮接觸面之間的接觸傳熱情況，因此不采用全耦合熱應(yīng)力分析模型。
發(fā)動機概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段，進行下列項目的數(shù)值分析：熱力學(xué)分析，對發(fā)動機的性能指標(biāo)進行預(yù)測；曲軸動力學(xué)分析，預(yù)測發(fā)動曲軸系的強度、剛度、振動以及軸承的潤滑特性；主軸承座分析，預(yù)測主軸承座的強度、剛度以及主軸承的抗滑移能力；活塞連桿強度分析；冷卻系統(tǒng)分析；配氣機構(gòu)分析。其中，可以將曲軸系動力學(xué)和主軸承座分析結(jié)合起來，建立曲軸瞬態(tài)動力學(xué)分析模型，采用子結(jié)構(gòu)法求解曲軸和主軸承座的瞬態(tài)應(yīng)力和變形，同時，考察系統(tǒng)的剛度等特性。但是，該模型不能體現(xiàn)主軸承座各個零件間的彈性接觸關(guān)系，實際分析時，往往將主軸承座作為獨立的系統(tǒng)，并采用靜載代替動載。主軸承座有限元分析時，主要考核螺栓預(yù)緊工況、軸瓦過盈工況、動載荷工況和熱負(fù)荷工況。
主要分析框架承受螺栓預(yù)緊力后，框架和剛體局部區(qū)域的變形和應(yīng)力情況。施加螺栓預(yù)緊載荷后，主軸承孔會產(chǎn)生較大的變形，但是，這種變形會在膛孔時消除，因此，強度成為該區(qū)域最主要的考核指標(biāo)。建模時，螺栓與框架和缸體之間通過MPC連接，框架與缸體之間采用小滑移彈性接觸模型，不考慮主軸承。圖為某發(fā)動機主軸承座承受螺栓預(yù)緊載荷時的應(yīng)力分布，圖為框架局部區(qū)域應(yīng)力分布。
圖中框架、缸體局部以及螺栓都出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū)域。由于螺栓模型中采用了MPC，并在螺栓的中截面上施加了很大的預(yù)緊載荷，因此，螺栓應(yīng)力、螺栓緊鄰的框架和缸體區(qū)域應(yīng)力為非真實應(yīng)力，不予考慮。根據(jù)圣維南原理，離螺栓較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)力不受模型的影響，為真實應(yīng)力。圖顯示，框架局部區(qū)域出現(xiàn)了高應(yīng)力集中(箭頭所指區(qū)域)，應(yīng)力值超出了材料的強度極限，需要對結(jié)構(gòu)進行修改。
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