李香梅

摘要：配氣機構作為柴油機的兩大機構之一，其組件的工作條件比較惡劣。本文以TBD234V6型柴油機作為動態(tài)強度和壽命計算方法的驗證對象，基于多體動力學軟件ADAMS/Views和疲勞壽命分析軟件MSC.Fatigue，對配氣機構中推桿、搖臂、氣門等建立剛柔耦合多體動力學模型，進行動態(tài)強度和壽命計算，并作出相應判斷。

關鍵詞：配氣機構；強度；壽命

中圖分類號：U664.121 文獻標識碼：A

Calculation on Dynamic Strength and Life of Valve Train for Marine Diesel Engine

LI Xiangmei

（China Maritime Police Academy， Ningbo 315801）

Abstract： Valve train is one of the two diesel engine frameworks and the working condition of it is very poor. This paper establishes the dynamic models of push rod， rocker arm and valve of valve train of a diesel engine TBD234V6 with the software ADAMS/Views and MSC. to calculate the dynamic strength and life of them. The results indicate that the dynamics performance of the valve train meets the needs of diesel engines.

Keywords： Valve train； Strength， Life

1 引言

機械零件的破壞有靜強度破壞與動態(tài)強度破壞兩種：靜強度破壞是由于靜載荷使得零件的危險截面上應力大于其抗拉強度導致斷裂失效，或大于屈服點產生過大殘余變形導致最終失效；動強度破壞的一種典型形式是疲勞破壞，是由于零件局部應力最大處在循環(huán)應力作用下形成裂紋，然后逐漸擴大成宏觀裂紋，最終導致斷裂。如何消除這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，確保設備質量和提高壽命，采用動態(tài)強度和壽命計算是其中的主要技術手段。本文以TBD234V6型柴油機作為驗證對象，進行初步的探索和總結。

2 結構強度分析及壽命計算方法

2.1動態(tài)強度分析方法

基于多體動力學軟件ADAMS的結構強度計算，是在建立的剛柔耦合多體動力學模型的基礎上進行仿真計算，計算出柔性體各個節(jié)點的應力值，借助于ADAMS. Post Processor后處理模塊中的動畫顯示工具和Durability工具，顯示柔性體應力云圖和各個節(jié)點的應力時間歷程曲線。結構動態(tài)強度計算流程如圖1所示。

2.2疲勞壽命計算方法

基于多體動力學軟件ADAMS/Views和疲勞壽命分析軟件MSC.Fatigue的結構疲勞壽命計算方法，不僅能夠快速、準確的計算出結構的疲勞位置和壽命長短，而且能夠獲得結構的壽命云圖，直觀的反映結構的壽命分布，且能夠快速找到結構的危險點。運用MSC. Fatigue軟件，根據S-N曲線進行全壽命分析，是最傳統(tǒng)的全壽命分析法，它以材料或零件的應力為基礎，用魚流循環(huán)計數法和Palmgren-Miner線性累計損傷理論進行全壽命分析。全壽命（S-N）分析選擇諸如平均應力修正方法和置信參數等不同的分析參數，可以應用材料或零件的S-N曲線。這種方法能夠預測有較大損傷或破壞為止的總壽命，對材料各部位的損傷度、剩余壽命進行評價。疲勞壽命計算流程如圖2所示。

3 配氣機構結構強度分析和壽命計算

3.1 動力學模型的建立

本文將配氣機構中推桿、氣門以及搖臂做柔性化處理，建立柴油機剛柔耦合多體動力學模型。運用Hypermesh軟件將需要柔性化的實體離散成比較規(guī)則的細小網格，以BDF格式導入到有限元分析軟件Patran中進行前處理，包括定義材料屬性、單元屬性、外部連接點、求解參數等，然后提交Nastran計算器進行計算，獲得包含模態(tài)信息的模態(tài)中性文件。

3.2推桿強度計算和疲勞壽命分析

（1） 推桿強度計算

推桿處于挺柱和搖臂之間，其功能是將挺柱傳來的運動和作用力傳給搖臂。挺桿是細長桿，傳遞的力很大容易產生彎曲，同時柴油機工作時推桿受到周期性變化的力作用容易產生疲勞。圖3是推桿的應力云圖，其應力最大值出現(xiàn)在推桿的中間，越靠近邊緣的應力值越小，這是因為推桿工作時推桿兩端受力使得推桿產生彎曲，挺桿中間應變最大，應力也最大，其最大值位于節(jié)點5446處，。圖4是節(jié)點5446處的應力時間曲線，圖中應力最大值出現(xiàn)在0.6397s，氣門處于開啟時刻。從整個過程來看，每一個工作循環(huán)，節(jié)點5446應力最大值都出現(xiàn)在一個相對固定的時間。圖5是一個循環(huán)周期節(jié)點5446應力時間曲線與氣門升程曲線，氣門升程最大時，節(jié)點5446應力值也為最大。這是因為氣門升程最大時推桿彎曲變形最大，故應力最大。這一結果與實際相符，計算結果可靠。

（2）推桿疲勞壽命分析

結構或材料受到周期性的載荷作用，即使承受的應力沒有超過材料的強度極限，結構或材料也可能會失效。推桿經受著典型的交變載荷的作用，容易出現(xiàn)疲勞破壞。本文采用多體動力學軟件ADAMS和MSC.Fatigue，對推桿進行壽命計算，獲得挺桿的疲勞壽命云圖，如圖6所示。

圖中推桿壽命最短位置出現(xiàn)在中間位置附近，這是由于該位置挺桿變形較大、應力較大的緣故。推桿最小循環(huán)次數為 ，以柴油機額定工況計算挺桿至少能安全工作5.1×107小時，所以在柴油機工作過程中，配氣機構推桿不會出現(xiàn)疲勞失效。endprint

3.3搖臂強度計算與疲勞壽命分析

（1） 搖臂強度計算

搖臂作為配氣機構中的重要組成部分，它將推桿和凸輪傳來的運動和作用力，改變方向傳給氣門使其開啟和關閉。搖臂在擺動過程中承受很大的彎矩，因此需要有足夠的強度和剛度。隨著柴油機的工作過程，搖臂承受周期性變化的作用力，因此搖臂強度與壽命值得關注。

圖7為搖臂應力最大時應力云圖，搖臂最大應力位于長臂臂身處，這是由于搖臂工作過程中短臂端受到推桿的推力、長臂端受到氣門彈簧的反推力，使得長臂端彎曲變形較大所致，應力最大處節(jié)點號為15098。圖8為柴油機起動至穩(wěn)定工況整個過程中15098號節(jié)點應力時間曲線，圖中最大應力出現(xiàn)在“模擬”起動過程中。圖9為穩(wěn)定工況一個周期最大應力對應節(jié)點應力時間曲線，圖中搖臂最大應力出現(xiàn)在氣門開啟時刻，也就是說氣門開啟時刻的沖擊對搖臂的影響最大。

（2） 搖臂疲勞壽命分析

基于建立的柴油機整機剛柔耦合多體動力學模型，利用Fatigue軟件對搖臂進行疲勞壽命計算。圖10為搖臂壽命云圖，搖臂壽命較小位置出現(xiàn)在搖臂的長短臂身處，這是由于搖臂擺動過程中承受較大的彎矩造成的，故在搖臂臂身設計中應盡量采用圓弧過度。由圖可知，搖臂壽命最短處壽命為 次循環(huán)，按照柴油機額定工況，一個循環(huán)的時間，搖臂最短壽命為 小時。

3.4 氣門強度計算與疲勞壽命分析

（1）氣門強度計算

本文忽略溫度對氣門熱應力的影響，僅從機械應力的角度對氣門進行強度計算。圖11為排氣門應力最大時應力云圖，其最大應力位于氣門桿身2976號節(jié)點處。圖12為柴油機起動至轉速穩(wěn)定排氣門應力最大節(jié)點、應力時間歷程與進氣門升程曲線。由圖可知，氣門桿應力隨著氣門運動周期性變化，在氣門開啟瞬間氣門桿應力最大，這是因為在氣門開啟時，搖臂對氣門的沖擊力和氣門彈簧反力的抑制共同作用的結果。圖13為排氣門最大應力節(jié)點、穩(wěn)態(tài)下一個周期內應力時間歷程曲線和氣門升程曲線。圖中應力時間歷程曲線振蕩強烈，在氣門開啟與關閉階段應力較大，這是由于在氣門開啟與關閉階段，氣門受到搖臂和氣門座的沖擊力，同時推桿、搖臂、氣門柔性效應共同作用使得應力波動。

圖11 氣門應力云圖

圖12 氣門應力曲線（啟動到穩(wěn)態(tài)）

圖13 氣門應力與氣門升程曲線

（2） 氣門疲勞壽命分析

進、排氣門受到周期性變化的彈簧力以及運動慣性力的作用，圖14是氣門疲勞壽命計算云圖。由圖可知，排氣門壽命較短的位置出現(xiàn)在氣門桿身中間位置，這是由于搖臂給氣門的作用力和氣門彈簧作用力共同作用的結果，氣門壽命為 次循環(huán)，以柴油機工作在額定工況下計算，排氣門工作壽命為 小時，因此該氣門不會因為機械應力出現(xiàn)疲勞失效的故障。

圖17氣門壽命云圖

4 小結

本文以建立柴油機整機剛柔混合多體動力學模型為基礎，運用多體動力學軟件ADAMS和有限元軟件MSC.Patran以及疲勞壽命分析軟件MSC.Fatigue，對柴油機配氣機構推桿、搖臂、氣門進行動態(tài)強度分析和疲勞壽命計算。由計算結果可知，該計算軟件完全適用推桿、搖臂、氣門等強度分析和壽命計算，滿足工作要求。基于多體動力學模型，結合有限元和疲勞壽命分析軟件對柴油機構件進行動態(tài)強度分析和壽命計算，可以方便得到構件的動態(tài)應力分布、最大應力節(jié)點應力的變化、壽命云圖等，可以為結構的設計、改進以及設備的使用與維護提供指導依據。

參考文獻

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