基于ANSYS的轻型170F柴油机机体结构优化

申爱玲

（邵阳学院机械与能源工程系,湖南 邵阳 422004）

机体是柴油机中最大的箱体铸造零件，构成了整机骨架，承载了柴油机的所有运动件，并且保证各部分工作时的准确的相对位置。机体上分布着各种加强筋、凸台、轴承孔等，使得机体具有较复杂的几何结构；机体工作时承受的应力情况十分复杂，同时影响应力变化的因素也较多，因此,应用传统的设计方法对机体进行设计和改进具有比较大的困难。目前有限元的应用越来越广泛，有限元分析已发展成为内燃机产品开发中为提高零部件可靠性而进行优化设计的一种基本手段。本文利用ANSYS有限元技术,对轻型170F柴油机机体进行了结构强度计算分析和优化改进。

1 轻型170F型柴油机机体有限元模型的建立

本文利用Pro/E软件绘制实体模型，然后将实体模型导入ANSYS进行网格划分及其他处理。实体模型的建立在符合机体实际结构及有限元分析需要前提下，尽可能简化模型结构，这对最终计算结果输出速度及输出数据准确性具有重要的影响。轻型170F型柴油机机体是一个经铸造、机械加工后得到的箱体式零件，箱体内壁分布加强筋，这些筋对机体强度有重要影响，在实际建模中忽略了机体内壁各处倒圆角，曲轴主轴承盖处螺栓孔是通孔，其对轴承座强度构成实际影响，未作忽略，考虑到机体的实际情况及有限元分析的需要，机体作了一些简化。

为了便于缸盖螺栓对机体载荷的加载，在机体上缸盖螺丝孔上绘制出一部分螺栓体，将载荷加载在螺栓截面上，这样更能反映机体缸盖螺栓螺丝孔的实际受力状况。图1所示为Pro/E中建立的机体模型图，图2所示为导入ANSYS后的170F型柴油机机体模型。

图1 Pro/E建立轻型170F型柴油机机体实体模型

图2 导入ANSYS后轻型170F型柴油机机体实体模型

图3 轻型170F型柴油机机体模型网格划分

2 机体有限元模型的网格划分

ANSYS10.0有限元软件提供了200种以上的单元类型，本文轻型170F型柴油机机体材料为HT200，其参数弹性模量E=1.3×10Pa,泊松比μ=0.26。由于建立的模型中存在尺寸差距较大的部位，因此在划分网格时不适宜采用网格智能划分功能（SmartSize），为了使有限元单元的划分均匀，在划分网格时采用自由网格划分，得到机体有限元网格模型如图3。该模型单元分布较均匀，能够准确反映出机体实际情况，划分后得到61796个节点和32347个单元，划分网格较均匀。

3 计算结果及分析

经过ANSYS软件分析计算在缸内最大爆发压力下，可得到机体的位移图及机体应力云图，如图4、图5所示，机体缸套孔应力图如图6所示，预紧工况下机体节点位移情况如图7所示。

由图分析可得，轻型170F柴油机机体在最大爆发压力时，最大应力为80.1MPa，最大位移值为0.04621mm，这些计算值均处于机体材料的安全限度内，故原机体强度刚度足够，但分布在极脚处的应力极不均匀，存在应力集中的情况，在柴油机工作时的交变应力作用下，就可能发生疲劳断裂，可以通过改变结构来缓解应力集中。

由上分析得，在预紧工况下缸套孔部位最大应力为196MPa，机体上的最大位移值为0.0508mm，实际值必定小于这个求解结果，缸盖螺栓比较长，能在最大爆发压力作用的瞬间缓冲大部分的冲击，而且缸套孔外边缘倒角1mm，这将集中应力分散在较大的界面上，机体缸套孔受到的是纯粹的挤压应力作用，机体材料的抗压强度高于抗拉强度。

4 机体结构改进与有限元分析

机体结构优化的其中一个目标是轻化质量，其旨在保证整机主要零部件位置关系不变的前提下，在机体强度、刚度满足整机动力需要的前提下，尽可能地减轻机体总重量。这不仅能改善整机的综合性能，还能降低零件成本。

由前文分析可知，机体结构轻量化的余地较大，机体上最大应力仅为80.1MPa，最大位移值仅为0.04621mm，鉴于有限元分析得出的应力云图和机体材料属性，在载荷不变的情况下将机体结构作如下改变：

（1）将原来所有6mm的机体厚度全改为5mm；

（2）将曲轴箱前盖凸台由原来的2mm改为4mm，以减小最大应变量；

（3）将机体内壁高度10mm的加强筋改为8mm；

（4）将机体后部壁厚由5mm改为4mm；

（5）将油底壳厚度由4mm改为3mm；

（6）将机脚总支撑面积减小50%；

（7）增大机脚处的过渡圆角，将原来的6mm改为10mm；

（8）将齿轮箱壳厚度由5mm改为4mm。

其余部分均不做任何改变，再经过ANSYS分析软件求解得出图8机体应变云图及图9机体应力云图。

由图8、图9得知，在结构改进后机体各处应力应变分布较改进前均匀，应力应变有所增大，最大应力增大为145.254MPa，最大位移增大为0.057865mm，但均处于材料强度的许可限度以内，对机体强度并无实质性的影响。利用Pro/E软件计算得知，改进前模型质量为10.746kg，改进后模型质量为9.464kg，机体总质量减轻1.282kg。

5 结语

应用ANSYS有限元分析方法，计算出了轻型170F柴油机机体在最高爆发工况和预紧工况的位移、应力、应变云图；得到了轻型170F机体设计中的一些薄弱环节；为提高轻型170F机体的强度、及进一步改进其结构的优化设计提供了理论依据。

[1]袁兆成.内燃机设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]张朝晖.ANSYS工程应用范例入门与提高[M].北京：清华大学出版社，2004.