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用有限元分析對主要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是汽車發(fā)動機(jī)開發(fā)與改進(jìn)的必經(jīng)環(huán)節(jié)和必要手段之一。目前有各種成熟的商用CAE軟件，國外汽車公司、發(fā)動機(jī)公司或?qū)I(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)掌握比較完善的技術(shù)，并有各自的計算分析規(guī)范，但不公開。
在氣缸體的有限元應(yīng)用中，一般只在模態(tài)計算和振動噪聲分析時才把氣缸體作為整體考慮。而進(jìn)行氣缸體強(qiáng)度分析時通常采用局部模型，即對從氣缸體實體模型上切出的局部進(jìn)行建模、確定邊界條件和有限元計算。根據(jù)分析目的和要求，用于強(qiáng)度分析的氣缸體局部模型分為5種，即單缸模型、兩個半缸模型、1個單缸和兩個相鄰半缸模型、相鄰兩缸模型(包括第1缸或者最后1缸)以及1個主軸承座模型(不含缸筒)。
某直列6缸增壓柴油機(jī)擬通過提高增壓壓力來提高標(biāo)定功率，但擔(dān)心因最大缸內(nèi)壓力增大而導(dǎo)致主軸承座強(qiáng)度不足。為此，作者采用主軸承座局部模型對該柴油機(jī)主軸承座進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，主軸承載荷用Engdyn軟件計算，網(wǎng)格劃分和有限元計算用HyperMesh軟件完成。
該柴油機(jī)有7個主軸承座。其中第2、第3、第5和第6主軸承座結(jié)構(gòu)相似，主軸承載荷計算結(jié)果表明它們的各種峰值載荷也相近；第1、第7主軸承的峰值載荷比第2、第3、第5和第6主軸承座的峰值載荷�。坏�4主軸承座是曲軸定位軸承座，具有較高的強(qiáng)度，承受的峰值載荷較小而彎矩較大；已有第5主軸承座、主軸承蓋的裝配應(yīng)力測量結(jié)果可供對比。綜合考慮，只對第5主軸承座進(jìn)行強(qiáng)度分析。主軸承座的CAD模型用Pro/Engineer軟件在氣缸體模型上切出來。先從第4缸和第5缸的氣缸中心線切出只含第5主軸承座的部分，再切除凸輪軸孔以上的部分。
主軸承座模型包括主軸承座、主軸承蓋、兩個主軸承螺栓和上、下軸瓦。所用的坐標(biāo)系為：以主軸承座孔中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸沿曲軸軸線指向氣缸體后端；y軸平行于氣缸中心線指向缸蓋；z軸垂直于xy平面，滿足右手定則。
采用HyperMesh軟件進(jìn)行有限元模型的建模和后處理。網(wǎng)格劃分時，先采用TRIA3單元劃分部件的包絡(luò)面網(wǎng)格，再對將要施加約束和載荷的面以及所關(guān)心部位的面進(jìn)行局部修改，最后采用推進(jìn)陣面算法由得到的面網(wǎng)格生成整個零件的實體網(wǎng)格。
在局部網(wǎng)格處理中考慮三方面：
·細(xì)化主軸承孔附近的網(wǎng)格，重點(diǎn)是主軸承蓋的軸承孔附近、主軸承座與主軸承蓋的接觸面附近、主軸承座孔與軸瓦接觸面附近、潤滑油孔內(nèi)表面等；
·對將要施加約束的所有邊界面和接觸面進(jìn)行網(wǎng)格控制，保證這些面上的節(jié)點(diǎn)分布和位置滿足施加約束的要求，重點(diǎn)是保證相互接觸的兩個面上節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系；這些接觸面包括主軸承座與主軸承蓋、主軸承孔與軸瓦、上下軸瓦、螺栓頭與主軸承蓋以及螺栓螺紋部分與螺栓孔(螺紋連接按螺栓與螺紋孔柱面接觸處理)；
·簡化軸瓦模型，去掉油槽和油孔，使軸瓦內(nèi)表面的節(jié)點(diǎn)成126×18分布，并且采用局部圓柱坐標(biāo)系以便施加主軸承分布載荷。
在所有相互接觸的面上都映射了節(jié)點(diǎn)，相互對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)用RBE單元連接，根據(jù)約束情況，通過約束對應(yīng)節(jié)點(diǎn)在某些方向的相對位移就可模擬接觸關(guān)系。網(wǎng)格裝配模型見圖2，共有355 909個單元、86 175個節(jié)點(diǎn)。
主軸承座與主軸承蓋有兩個接觸面：在xz平面內(nèi)的對接面和定位制口(平行于xy平面)。
裝配狀態(tài) 在xz平面內(nèi)的接觸面上，坐標(biāo)x=0的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束x方向的相對位移，所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束y方向的相對位移。在定位制口接觸面上，所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束z方向的相對位移；
動態(tài)載荷狀態(tài) 在xz平面內(nèi)的接觸面上，所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束3個方向的相對位移。當(dāng)z方向載荷方向為正時，約束z坐標(biāo)為正的制口接觸面上的所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)z向的相對位移；當(dāng)z方向載荷方向為負(fù)時，約束z坐標(biāo)為負(fù)的制口接觸面上的所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)z向的相對位移；
主軸承孔與上、下軸瓦的接觸面上所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束y方向和z方向相對位移；上下軸瓦接觸面上所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束y方向的相對位移；螺栓與主軸承蓋接觸面上所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束3個方向的相對位移；螺栓螺紋與螺栓孔螺紋部分接觸面上所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)約束3個方向的相對位移。
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