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原文传递基于多体动力学和有限元法的柴油机供油凸轮仿真研究

论文题名：	基于多体动力学和有限元法的柴油机供油凸轮仿真研究
关键词：	供油凸轮;多体动力学;疲劳分析;船舶柴油机
摘要：	供油凸轮机构是柴油机的重要组成部分，它的正常运行与否不仅关系到柴油机的供油规律和缸内燃烧情况，还直接影响柴油机的整机效率和船舶的运行安全。本文的研究对象——8G32型柴油机，在运行的过程中检测到多缸供油凸轮表面发生点蚀和剥落现象，严重影响了柴油机的安全运行。本文运用多体动力学分析和有限元分析相结合的方法，对该型号柴油机的供油机构进行了多种工况下的仿真研究，对找出凸轮失效原因并进行改进具有重要的实际意义。　　在多体动力学计算中，分别进行了刚性体动力学计算和刚柔耦合动力学计算。在进行刚柔耦合动力学计算前，对凸轮轴分别进行了自由状态和约束状态下的模态分析，生成了模态中性文件，利用柔性体凸轮轴对刚性体凸轮轴进行替换，以进行刚柔耦合计算。　　在有限元分析中，首先利用多体动力学分析的计算结果作为边界条件，对多种工况下的凸轮副进行了最大受力位置的接触应力计算和分析。然后，根据接触应力分析得到的结果对其进行了额定工况下的疲劳寿命计算。最后，根据计算和分析结果提出了对滚轮从动件外形进行改进和提高凸轮表面热处理工艺等优化建议。　　多体动力学计算结果表明，在刚性体分析中，从动件的运动规律和凸轮受力状况存在少许震荡，整体运动规律符合实际情况，没有产生飞脱现象；凸轮表面的受力情况符合实际供油规律，存在少量震荡，计算得到的凸轮副最大受力为126660N。在刚柔耦合动力学分析中，凸轮副最大受力为112860N，刚柔耦合动力学计算得到的运动规律和受力情况曲线与刚性体动力学计算得到的结果曲线相比，更加平缓，符合柔性体动力学的特点。　　有限元计算结果表明，在接触应力方面，凸轮表面的应力均呈现两头大、中间小的分布规律。其中，怠速工况下凸轮表面应力最小，额定工况次之，最大功率转速工况下凸轮应力最大。各种工况下，凸轮表面最大受力时刻对应的应力集中处的最大接触应力分别为3100MPa、3280MPa和3350MPa，均超过了凸轮表面的理论许用应力值1416MPa。为了验证计算的准确性，还进行了额定工况下凸轮接触对的理论赫兹应力计算，结果表明凸轮表面接触应力为1546MPa，与仿真分析中除开应力集中位置的部位的平均应力相近，但是远小于应力集中处的最大应力3280MPa，产生这种差别的原因主要是理论计算没有考虑到凸轮表面的应力集中现象。疲劳计算结果表明，凸轮轴的疲劳寿命为70.35?10次循环，按照凸轮每天工作6小时进行计算，其表面上的最大应力集中点在额定工况下工作32天后就有可能发生疲劳破坏。　　对滚轮外形设计进行优化的计算结果表明，将滚轮设计成鼓型弧长半径为5000mm的鼓型滚轮时，额定工况下凸轮表面最大应力为1880MPa，小于改进前的3280MPa。按照凸轮轴每天工作6小时进行疲劳计算，能将凸轮轴的使用寿命延长至163天，有效地改善了凸轮表面的应力集中现象。但是，要彻底解决该凸轮表面的疲劳失效问题，还需要从表面热处理和其他方面着手，对其进行综合改进。经过分析得出，将凸轮表面的热处理工艺改进成：正火920℃?1 h空冷，淬火810℃?1 h油冷，回火230℃?1.5 h空冷时，得到的凸轮轴组织为回火板条马氏体+条状铁素体，其硬度与耐磨性配合最好，能有效提高凸轮寿命。
作者：	周洲
专业：	轮机工程
导师：	钱作勤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文