ABAQUS在发动机主轴承孔变形中的应用
基于 ABAQUS的轴承过盈配合接触应力分析
基于ABAQUS的轴承过盈配合接触应力分析*高晓果，孔德龙，赵聪，刘文龙【摘要】摘要:航空发动机主轴轴承内圈一般采用过盈配合的安装形式，通过一定的过盈量防止轴承内圈与轴发生相对转动，并对轴承内圈定位。
建立了基于ABAQUS软件的轴承内圈过盈接触问题的仿真分析方法，使用该方法分析了某型航空发动机低压转子推力球轴承的内圈过盈配合接触应力，分析了该轴承内圈在装配压紧时发生转动的根本原因。
建立的过盈配合接触应力分析方法可为航空发动机主轴轴承过盈配合的设计和校核计算提供理论依据。
【期刊名称】机械研究与应用【年(卷),期】2015(000)002【总页数】3【关键词】关键词:轴承;航空发动机;过盈;接触应力0 引言航空发动机转子系统通过滚动轴承支承到承力机匣上，轴承内圈与转子轴采用过盈配合的安装形式，通过一定的过盈量防止轴承内圈与轴的相对转动，并对轴承内圈进行定位。
从力学角度看，过盈配合是接触问题的一种［1］，属于边界条件高度非线性的复杂问题，配合面呈现出很复杂的接触状态和应力状态。
常用的过盈配合设计是以拉美(Lame)方程为基础，并在俄罗斯学者加道林院士提出的组合圆筒理论基础上进行的。
基于拉美方程和厚壁圆筒原理的传统方法存在着一定的局限性，不能很好的适用于复杂结构的过盈配合设计。
在航空发动机中，主轴轴承过盈量的设计和选取主要是参考成熟型号设计经验，很少对过盈配合的接触问题进行研究，如在某型发动的研制过程中，轴承内圈过盈装配到轴上后，采用压紧螺母进行压紧时，发生了内圈转动的现象，笔者以该工程实例为对象，使用ABAQUS有限元软件，对其过盈配合接触问题进行相应分析，分析了故障原因。
1 轴承内圈与轴的模型笔者选取了在装配时发生转动的轴承内圈与轴的模型，其结构如图1所示，图2为三维模型图。
该轴承为双半内圈角接触球轴承，是某型航空发动机的低压压气机后支点，在工作时承受低压转子轴向力。
该轴承内圈与轴承采用过盈配合的安装形式。
基于 Abaqus 的曲轴模态压缩,重庆长安汽车股份有限公司动力研究院
基于Abaqus的曲轴模态压缩李林1，2，郝涛1，2，李凤琴1，2（1 重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆，401120；2汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆，401120）摘要：应用Abaqus软件对曲轴系有限元模型进行模态缩减，得到曲轴系的质量、刚度、几何、自由度矩阵及模态结果文件，继而进行曲轴系和发动机整机动力学分析。
模态缩减将有限元模型原来数百万自由度，缩减为几百个自由度，节约了计算时间和成本，显著提升计算效率。
关键词：Abaqus 曲轴系统有限元模态缩减Abstract:This paper is about using Abaqus solver to condense model of the crankshaft, obtained the crankshaft matrix of mass, stiffness , geometric and DOF for vibration analysis. The number of degrees of freedom on original FEM had been reduced from several millions to a few hundred, greatly reduced the amount of calculation and showed efficiency on analysis.Key Words: Abaqus ; Cranktrain ; FEM ;Model Reduce1 前言由于发动机汽缸压力和惯性力等各种载荷的作用，曲轴同时发生弯曲和扭转振动。
曲轴振动是发动机振动噪声产生的重要因素。
有限元子结构分析中将每一弹性体可离散成许多集中质量点(含质量和惯量),并计入结构静/动刚度(随振动频率变化)。
子结构上的节点可用来施加外力和力矩，也耦合部件间的相互作用，传递载荷。
利用子结构主自由度节点的运动特性来表征部件运动和变形。
某发动机主轴承盖优化设计
某发动机主轴承盖优化设计作者：韩玉伟赵宝新关莹来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：在冷热冲击试验过程中，某发动机第五主轴承盖发生断裂失效.针对该问题，基于Abaqus对主轴承盖组件进行有限元分析，结果表明其断裂处疲劳安全因数低于经验值；对主轴承盖进行优化设计，并运用同样的仿真方法得到疲劳分析结果.经过反复验证，得到主轴承盖最优设计方案，并通过试验验证解决该主轴承盖断裂问题.关键词：发动机；主轴承盖；有限元； Abaqus中图分类号： U464.13；TB115.1文献标志码： B引言在发动机工作过程中，气体力通过曲柄连杆机构作用在主轴承盖上，使得其承受较大的压力，同时往复惯性力和离心力又使其受到一定的弯曲和扭转作用.为保证发动机正常工作，主轴承座必须要有足够的强度和刚度来承受不同工况下的弯曲、扭转和拉压等作用力.主轴承盖作为主轴承座的一部分，它的结构影响着主轴承座的强度和刚度，也就决定发动机能否正常运行.本文通过有限元分析解决试验中主轴承盖的断裂问题.1试验背景在进行200 h冷热冲击试验过程中，某型号发动机出现第五主轴承盖断裂现象，见图1.根据断裂零件初步分析其原因为主轴承盖断裂位置结构设计不合理，导致零件在长时间工作过程中产生疲劳断裂.为解决这一问题，通过有限元分析来模拟计算主轴承盖在各工况下的受力情况和高周疲劳安全因数，进而进行结构优化.2有限元模型2.1模型建立和网格划分主轴承座有限元分析模型主要包括缸体、主轴承盖、主轴承盖螺栓、主轴瓦、下缸体和连接螺栓等.采用Abaqus软件进行有限元分析前处理，网格类型为2阶修正四面体单元，各零部件网格划分见图2.图 1断裂的主轴承盖图 2主轴承座模型和网格2.2边界条件加载边界条件设置包括接触关系、载荷和边界约束等设置，主轴承座分析主要包括螺栓装配工况、轴瓦过盈工况和最大爆压工况[1]等，见图3.（1）约束缸体顶部x，y和z方向自由度.（2）约束横截面x方向自由度.（3）施加螺栓预紧力.图 3边界条件主轴瓦过盈工况施加轴瓦过盈量设为0.037 mm；最大爆压由曲轴多体动力学计算结果映射[2]得到，见图4.图 4映射结果2.3结果评价通过Abaqus后处理计算得到主轴承盖在装配工况（螺栓预紧力+主轴瓦过盈）和动载荷工况（螺栓预紧力+主轴瓦过盈+最大爆压）下的计算结果，见图5和6.图 5装配工况结果图 6动载荷工况结果根据静应力计算结果进行高周疲劳计算，结果见图7，最小疲劳安全因数为0.96，低于经验值1.1，所以不满足工作要求，有疲劳断裂风险.[3]图 7疲劳结果3结构优化通过对初始方案进行有限元分析可以看出，疲劳安全因数最小的位置与试验过程中出现断裂的位置相符.此处圆角主要承受螺栓预紧力和爆发压力的综合作用，如果圆角过小或者结构设计不合理就容易出现疲劳断裂.[4]根据主轴承盖的受力特点，对初始主轴承盖进行优化设计，经过多次修改，得到主轴承盖的最优方案，具体结构见图8.图 8初始方案与优化方案对比用同样的计算方法对该方案进行有限元分析，最终得到圆角位置高周疲劳安全因数为1.17，大于经验值1.1，满足工作要求，见图9.图 9疲劳结果有限元分析满足要求后，对优化后的主轴承盖方案进行试验验证，经过200 h冷热冲击试验和其他可靠性试验后，第五主轴承盖未出现断裂.4结论（1）通过解决主轴承盖断裂问题可以看出，有限元分析可以在一定程度上指导零部件的设计方向，进而节约大量项目开发及试验验证时间和成本.（2）在主轴承盖设计过程中，应注意出现应力集中的位置并重点进行优化.参考文献：[1]石亦平，周玉蓉等. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京：机械工业出版社， 2006：1422.[2]李嘉，赵雨东. 柴油机主轴承座的有限元强度分析[J]. 车用发动机， 2007（1）： 8485.[3]郭威，朱凌云. 基于整体模型的发动机主轴承壁强度分析[J]. 车用发动机， 2013（1）： 4142.[4]杨连生. 内燃机设计[M]. 北京：中国农业机械出版社， 1981： 358378.（编辑武晓英）第22卷增刊22013年10月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.22 Suppl.2Oct. 2013。
基于ABAQUS的火箭发动机典型零件弯曲模优化设计
基于ABAQUS的火箭发动机典型零件弯曲模优化设计付帅;王鹏【摘要】在火箭发动机弯曲模设计过程中,无法定量地确定产品零件的回弹量,因此就无法较为准确地设计工装的结构尺寸,使其能够一次冲压成功.运用ABAQUS有限元分析软件,建立冲压模仿真分析模型,采用隐式动力学计算方法,模拟阳模的"冲压"、"停留"、"复位"动作,并集成Isight优化软件,以产品图样尺寸为优化目标,对给定的参数进行优化,进而得出阴阳模的结构尺寸,为弯曲模设计提供指导.%Because the amount of springback of product parts can not be determined quantitatively in the process of bending die de-sign,it is impossible to design the structure size of the bending die to stampit successfully at the first time. In this paper, the ABAQUS finite element analysis software is used to establish the true analysis model of the stamping simulation,and the implicit dy-namic calculation method is used to simulate the"stamping","stay","back"action. And meanwhile, the Isight optimization soft-ware is used to take the product size in the drawing as the optimization object and the given parameters are optimized to obtain the structure size of formpiston and female die. A good guidance is provided for the bending die design.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P156-158,172)【关键词】火箭发动机;弯曲模;优化设计;ABAQUS;有限元;动力学【作者】付帅;王鹏【作者单位】西安航天发动机厂,陕西西安710100;西安航天发动机厂,陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言产品零件在弯曲成形过程中，要得到完全符合图样要求的尺寸比较困难，这是因为任何材料的弯曲过程中，都会发生塑性变形，当外部载荷卸除后，板料产品在内力的作用下会往反方向运动，产生回弹[1]。
电机主轴与轴承的过盈配合设计
陈晔
（福州泰全工业有限公司，福州 ３５０１１９）
摘要：为确保汽车电动助力转向系统（ＥＰＳ）电机主轴与轴承过盈配合设计合理，通过理论计算对电机主轴和轴 承的公差进行设计，并通过有限元软件 ＡＢＡＱＵＳ对轴承与主轴过盈配合时内圈变形量和压入力进行分析，根据 分析结果对电机主轴公差设计进行适当调整。最后制作极限样品进行 ＤＯＥ验证，样品满足使用要求。 关键词：电机轴承；深沟球轴承；主轴；内圈；过盈配合；有限元分析；ＤＯＥ验证 中图分类号：ＴＨ１３３．３３；ＴＨ１２４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００－３７６２（２０１８）１１－０００１－０４
·２·
《轴承》２０１８．№．１１
主轴材料为 ４５＃钢，弹性模量为 ２０６ＧＰａ，泊松 比为 ０．３。轴承内圈材料为轴承钢 ＧＣｒ１５，弹性模
ｄ２ｉ＝ｄ２＋ＫｄＤｗ －ＢＡ，
（２）
量为 ２４５ＧＰａ，泊松比为 ０．３。
式中：ｄ２为内圈挡边直径；Ｋｄ 为内圈挡边直径系
２ 主轴与轴承的过盈配合量对轴承 径向游隙的影响
{ [ ] [ ] } Ｇｓｉ
＝ ［１－（ｄ／ｄ２ｉ）２］
Ｅｉ Ｅｓ
２Ｉｓｉ（ｄ／ｄ２ｉ）
１＋（ｄｓ／ｄ）２ １－（ｄｓ／ｄ）２
－νｓ
＋
１＋（ｄｓ／ｄ）２ １－（ｄｓ／ｄ）２
＋νｉ
，
（３）
式中：ｄ为轴承内径；Ｅｉ为内圈材料弹性模量；Ｅｓ ４ 基于 ＡＢＡＱＵＳ的仿真ห้องสมุดไป่ตู้析
基于Abaqus的连杆有限元分析
基于ABAQUS的连杆有限元分析郭涛 , 杨晓上汽通用五菱技术中心柳州 545007【摘要】：利用有限元分析软件ABAQUS对一发动机连杆进行三维有限元分析，确定了连杆的最大应力位置和疲劳安全系数，为发动机连杆的可靠性设计提供了依据。
关键词：连杆有限元 ABAQUS 安全系数The finite element analysis of connecting rodbased on ABAQUSGuo Tao , Yang xiaoSGMW Liuzhou 545007【Abstract】：Using ABAQUS,the stress of the engine connecting rod is analyzed by 3D finite element method,and the position of the maximum stress and the safe coefficient of fatigue are calculated .Based on the results,the reliable design of the connection rod is improved.Keyword: connecting rod finite element ABAQUS factor of safety作者简介：郭涛，男，1980年出生，籍贯河南洛阳，上汽通用五菱工程师，从事发动机的设计与研发工作0前言连杆是连接发动机活塞与曲轴的一个重要组件，是内燃机的主要运动受力部件之一，工作中经受拉伸﹑压缩﹑弯曲等交变载荷的作用，机械负荷严重，工作条件恶劣。
因此，连杆的可靠性是人们在内燃机研究和改进过程中关注的热点。
在发动机设计时要保证连杆具有足够的结构刚度和疲劳强度，尽可能地达到质量轻﹑体积小﹑形状合理，并最大限度地减缓应力集中。
传统分析方法有连杆二维变厚度有限元计算模型：由于连杆结构及载荷基本是对称均匀分布的，可以简化为平面应力问题来处理，而对于过渡圆弧，连杆大头螺孔及连杆盖加强筋等部位的单元，采取按截面面积等效的原则，确定该部位各单元的当量厚度。
Abaqus 在汽车发动机罩铰链强度分析中的应用,长城汽车股份有限公司技术中心
论文所属行业:汽车Abaqus在汽车发动机罩铰链强度分析中的应用梁艮文，盛守增，王俊长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北省保定市071000摘要：文章采用Abaqus软件非常强大的非线性有限元知识对汽车发动机罩铰链进行强度分析，分析结果为发动机罩铰链结构设计提供参考。
关键词：发动机罩；铰链；强度Abaqus Application To Strength AnalysisFor Automotive Bonnet HingeLIANG Genwen, SHENG Shouzeng, WANG JunR&D Center of Great Wall Motor Company, The Automobile Engineering Technology & Research Center ofHebei Province, Bao Ding, 071000, hebei, chinaAbstract: The article is strength analysis for automotive bonnet hinge introducing Abaqus software powerful nonlinearity finity knowledge, the analysis results provide a reference for the bonnet hinge design. Key words: bonnet; hinge; strength0 引言随着人民生活水平的不断提高，汽车作为一种方便、舒适的交通工具得到越来越多的消费者青睐。
由于交通事故的频繁发生，消费者在购车过程中更加重视汽车的安全性及可靠性。
发动机罩的主要作用是方便机舱内各零部件的维修保养，保护机舱内各零部件，隔离噪声，保护行人。
发动机罩铰链用来固定和旋转发动机罩，它的强度对发动机罩发挥其作用有着非常重要的意义。
基于ABAQUS的含裂纹提升机主轴的有限元分析_赵凌燕
Abstract： The stress and strain fields ahead of three-dimensional surface crack in an elevator shaft is simulated and studied by using ABAQUS sub-model technique in this paper. And it is adopted that the distribution of J -integral along the semi -elliptical crack front in the elevator shaft under complex loading conditions. The results of this investigation show that the elliptical crack propagation at the midpoint and both ends is significantly slower than that of other parts of the crack front, which provides a theoretical basis to evaluate the structural integrity of shafts. Key words： elevator shaft; ABAQUS; sub-model; J-integral
摘 要： 以含裂纹提升机主轴为研究对象，利用 ABAQUS 的子模型技术，模拟计算了不同工 况下提升机主轴三维表面裂纹附近的应力应变场， 获取了 J 积分在承受复杂载荷的主轴椭圆裂纹 扩展过程中的变化规律。 研究结果表明，椭圆裂纹中点和两端的扩展明显要慢于裂纹其他部位，并 为轴类零件结构完整性评价提供了一定的理论依据。
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Abaqus在发动机主轴承孔仿真中的应用
蓝宇翔黄第云
(广西玉柴股司工程研究院广西玉林537005)
摘要：某发动机主轴瓦背面在试验过程中出现微动现象，本文使用Abaqus软件仿真，模拟主轴承孔的变形情况，求出发动机主轴瓦的背压；并就加大主轴瓦装配过盈量，分析主轴承孔变形及主轴瓦背压是否满足要求。
关键词：主轴瓦、Abaqus、主轴承孔、变形、背压
1 前言
在耐久性试验中，某发动机主轴瓦出现背面发亮，即出现微动现象。
鉴于主轴瓦背压难于测量，决定采用有限元方法，模拟主轴承孔的变形情况，对主轴瓦背压进行计算，找出故障原因；并对改进后的主轴承孔变形再进行有限元分析，确认是否符合要求。
2 计算模型和边界条件
2.1 有限元模型
有限元模型包括气缸体、主轴承盖、上主轴瓦、下主轴瓦、主轴承盖螺栓、曲轴，其中上、下主轴瓦及曲轴是8节点六面体单元，其余是10节点四面体单元。
各零件的节点数及单元数见表1，有限元模型见图1。
网格用hypermesh软件划分，在Abaqus/cae里施加边界条件，最后用abaqus/Standard求解器求解。
2.2 材料特性
各零件所用材料及材料特性见表2。
表2 各零件的材料特性
零件材料弹性模量(MPa)泊松比
主轴承螺栓42CrMo 2.05×1050.3
上主轴瓦St37 2.05×1050.3
下主轴瓦St37 2.05×1050.3
曲轴20CrMnTi 2.05×1050.3
气缸体HT250 1.20×1050.28
主轴承盖QT450 1.65×1050.28
2.3边界条件
由于主轴承孔是在主轴承螺栓装配工况下进行镗孔加工的，消除了螺栓预紧力下主轴承孔变形的影响，本文只进行轴瓦装配载荷工况、气体压力载荷工况的计算分析。
2.3.1 通用边界条件的处理
图2所示，在汽缸体顶面A加边界条件z=0，对称面B、C施加法向对称边界条件，即所有节点x＝0。
图2 位移边界条件
2.3.2轴瓦装配载荷工况
零件：曲轴箱、缸体、螺栓、轴瓦。
计算模型如图3，除主轴承螺栓与主轴承盖、气缸体连接、主轴承盖与气缸体正面接触用tie外，其余的接触用small slide，在上下主轴瓦之间施加过盈，主轴瓦对主轴承孔摩擦系数0.05。
2.3.3气体压力载荷工况
零件：曲轴箱、缸体、螺栓、轴瓦、曲轴。
计算模型如图4，除主轴承螺栓与主轴承盖、气缸体连接、主轴承盖与气缸体正面接触用tie外，其余的接触用small slide，燃气压力为160bar，主轴瓦对主轴承孔摩擦系数0.05，
曲轴对轴瓦摩擦系数0.05。
3 计算结果及分析
3.1轴瓦装配载荷工况主轴瓦背压
图5是轴瓦装配载荷工况中，最小过盈状态下，上、下主轴瓦背压分布云图，可以看出主轴瓦背压在8.7～
8.8MPa左右，小于经验值10MPa，这是主轴瓦出现微动的原因。
图6是提高过盈量后，最小过盈状态下，上、下主轴瓦背压分布云图，主轴瓦背压达到了10MPa，满足设计要求。
3.2轴瓦装配载荷工况主轴承孔的变形
图7为提高主轴瓦装配过盈之后，主轴承孔的变形云图，图8是上、下主轴瓦变形云图。
由图7可以看出，在轴瓦装配工况下，轴孔径向胀大，其中以水平方向最大。
垂直方向最小，因此，考虑主轴承孔主轴瓦与曲轴的间隙，主要只分析垂直方向的位移，具体数据如表3。
图7主轴承孔变形云图（最小过盈，变形放大2000倍）
图8最小过盈量下的主轴瓦变形分布
表3 轴瓦装配工况的计算数据
主轴瓦背垂主
最小过盈
下10.2-11.53
最小过盈
下13.1-15.04
可见提高过盈后，经过计算对比，主轴承孔垂直变形只提高2μm，相差很小，主轴承孔与曲轴的配合间隙符合技术要求。
3.3气体压力载荷工况主轴承孔的变形
图9是爆发压力载荷工况下气机体及主轴承盖应力和径向变形云图。
由图中可以看出，主轴孔变形呈椭圆形，在水平方向收缩，在竖直方向扩大。
由图9可见，在最大燃气压力下，主轴承孔在水平方向的收缩变形量为0.0196+0.0258=0.0454，根据发动机装配技术条件，小于主轴瓦与曲轴之间间隙的80%这个经验值，可以满足设计要求的。
4结论
提高主轴瓦的过盈装配量后，主轴瓦没有出现微动现象，主轴孔变形测量值与计算结果非常吻合。
由本文可见，Abaqus操作方便，收敛性好，可以准确地模拟接触问题，很适合于在发动机模拟仿真的应用。