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隨著造船工業(yè)的發(fā)展，柴油機(jī)尺寸越來(lái)越大，使得曲軸的工作條件愈來(lái)愈惡劣，曲軸的強(qiáng)度計(jì)算是柴油機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如何得到準(zhǔn)確的曲軸應(yīng)力分布、固有頻率和模態(tài)振型，對(duì)改善其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義。此外，在航行中可能會(huì)出現(xiàn)由于船體變形等原因造成較大的船舶應(yīng)力和附加彎曲應(yīng)力。突變的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)影響船舶柴油機(jī)曲軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，導(dǎo)致曲軸最終的疲勞斷裂。本文以船舶柴油機(jī)整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合AVLEXCITE多體動(dòng)力學(xué)與ANSYS的有限元分析法對(duì)船舶柴油機(jī)額定工況下曲軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，充分考慮整個(gè)船舶柴油機(jī)各個(gè)部件間的相互作用，即克服傳統(tǒng)算法中邊界條件不夠準(zhǔn)確的弊端，深入考慮曲軸上油孔和圓角等細(xì)小結(jié)構(gòu)，使模型的精確性更加接近曲軸在工作狀態(tài)中的實(shí)際條件。
AVLEXCITE多體動(dòng)力學(xué)中用3個(gè)坐標(biāo)系來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)模型：①全局坐標(biāo)系(X，Y，Z)，用于描述各彈性體在系統(tǒng)中的全局運(yùn)動(dòng)，此坐標(biāo)系為靜止坐標(biāo)系；②隨動(dòng)坐標(biāo)系(X'，Y'，Z')，即隨各體一起運(yùn)動(dòng)；③子坐標(biāo)系(X″，Y″，Z″)，即子結(jié)構(gòu)ai的坐標(biāo)系。圖為系統(tǒng)中彈性體子結(jié)構(gòu)的模型。子結(jié)構(gòu)ai承受內(nèi)力、外力及內(nèi)、外力矩的作用，子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)服從動(dòng)量和角動(dòng)量定理。
應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型，建立船舶柴油機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析。將彈性體的作用力/形變作為連接體進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析的邊界條件，而連接體的力矩/作用力成為彈性體的約束力矩/力，進(jìn)行迭代計(jì)算，有效地解決了彈性體與連接體間的耦合問(wèn)題。
在有限元軟件ANSYS中建立曲軸和主軸承的實(shí)體有限元模型，各個(gè)模型均采用solid45六面體單元，并在模型中接觸位置定義主自由度節(jié)點(diǎn)，通過(guò)縮減程序把大幅度的自由度進(jìn)行壓縮，從而大大縮小了模型計(jì)算的規(guī)模，但是計(jì)算結(jié)果過(guò)程中的精度卻沒(méi)有受到太多影響。經(jīng)過(guò)縮減獲得子結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)文件：主自由度文件、幾何文件、質(zhì)量和剛度矩陣、個(gè)體(剛度)矩陣等信息。圖為定義過(guò)主自由度的船舶主軸承和曲軸有沖程、轉(zhuǎn)速127r/min、發(fā)火順序1－6－2－4－3－5、缸數(shù)6、缸徑500mm、氣體壓力等，該系統(tǒng)模型坐標(biāo)系應(yīng)與有限元模型坐標(biāo)系保持一致。將縮減后的船舶主軸承和船舶曲軸的模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)軟件AVLEXCITE中，并在EXCITE中對(duì)體單元和連接單元進(jìn)行定義考慮本文研究目標(biāo)，模型中建立缸套的剛體模型，并建立空間固定點(diǎn)；連桿僅采用3節(jié)點(diǎn)模型。各結(jié)構(gòu)體之間通過(guò)活塞與缸套導(dǎo)向、各種軸承等連接體建立非線性耦合關(guān)系。模型中，用軸向均布5排，并且每排均布48根非線性彈簧來(lái)模擬各個(gè)主軸承，見(jiàn)圖。各根彈簧定義的阻尼和剛度值參照軸承潤(rùn)滑油膜的阻尼特性和剛度特性。
氣體力載荷施加在連桿小端質(zhì)量節(jié)點(diǎn)處。圖是氣體力曲線，描述柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在127r/min，氣體爆發(fā)壓力峰值為15.2MPa時(shí)，氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。整個(gè)柴油機(jī)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖。
在Pro/E中建立精細(xì)的三維船舶曲軸實(shí)體模型，并將其導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元?jiǎng)討?yīng)力恢復(fù)計(jì)算。模型考慮了船舶曲軸上細(xì)小結(jié)構(gòu)，例如：油孔、過(guò)渡圓角等。在模型整體網(wǎng)格劃分后，又將網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化來(lái)減小由于網(wǎng)格劃分造成的計(jì)算誤差。
由圖可以看出，在軸頸的過(guò)渡圓角處各曲拐均出現(xiàn)了最大應(yīng)力，這是因?yàn)椴还苁窃谥鬏S頸過(guò)渡圓角或是連桿頸過(guò)渡圓角，局部結(jié)構(gòu)尺寸均比較小，應(yīng)力集中更加嚴(yán)重。因?yàn)榍S輸出端因帶外部負(fù)載而導(dǎo)致自身載荷較大，造成從自由端到輸出端，過(guò)渡圓角處應(yīng)力值有增大的趨勢(shì)。
1)通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)和三維實(shí)體有限元結(jié)合的方法對(duì)船舶曲軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性計(jì)算，結(jié)果表明在柴油機(jī)額定工況下，各曲拐最大應(yīng)力均發(fā)生在各軸頸過(guò)渡圓角處，且計(jì)算精度更加精確；
2)本文建立了整體船舶柴油機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型，克服了單體模型計(jì)算分析時(shí)邊界載荷條件不夠準(zhǔn)確的弊端。更精確地分析了船舶曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性，也更符合船舶曲軸工作時(shí)的實(shí)際條件。
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